Revista I+i 2018 by Tecsup

Volumen 12, 2018 Lima, Perú • ISSN 1996-7551

David Alonso Nájar Valdivia

Optimizando el proceso de construcción de modelos de decisión en el mantenimiento industrial por análisis de confiabilidad predictivo y dinamismo RCM Pág. 4

Tecsup Sede Norte Mz. A Sub lote 1 Urb. Tecsup Victor Larco Herrera, Trujillo - Perú informestrujillo@tecsup.edu.pe T. (044) 485420 Sede Centro Av. Cascanueces 2221 Santa Anita, Lima 43 - Perú informeslima@tecsup.edu.pe T. (51-1) 317-3900 Sede Sur Urb. Monterrey Lote D-8 José Luis Bustamante y Rivero, Arequipa - Perú informesarequipa@tecsup.edu.pe T. (54) 426610 F. (54) 426654

Juan Carlos Bueno, Jaime Farfán, José de la Puente, Luis Peña, César Arce, Anthony Aróstegui, Bregy Malpartida, Julio Valdivia-Silva, José Pérez-Lu, Miguel Egoavil, Daniel Cóndor, Miguel Pinazo, Juan Quezada

Telemedicina en cuidados paliativos:

una aplicación que ayuda a cuidadores y personal médico Pág. 16

Optimizando el proceso de construcción de modelos de decisión en el mantenimiento industrial por análisis de confiabilidad predictivo y dinamismo RCM ......................David Alonso Nájar Valdivia 4 Telemedicina en cuidados paliativos: una aplicación que ayuda a cuidadores y personal médico ............Juan Carlos Bueno, Jaime Farfán, ..................José de la Puente, Luis Peña, ................ César Arce, Anthony Aróstegui, ....... Bregy Malpartida, Julio Valdivia-Silva, ................José Pérez-Lu, Miguel Egoavil, ..................Daniel Cóndor, Miguel Pinazo, .......................................Juan Quezada 16 Control neurodifuso de un péndulo invertido rotacional ..................................Luis Enciso Salas, ....................... Miguel Ángel Chávez Luna 26

Modelado borroso de tipo Takagi Sugeno y control predictivo de una planta de nivel .................Julio Mosaja, Oswaldo Moreno, ........... Andrés Morocco, Hernando Prada 34 Obtención de la función de transferencia de un motor de corriente continua, basada en mediciones experimentales. ........................................... José Lazarte 46 Evaluación de activos: de la teoría a la práctica ........................................... José Rojas 56 Diseño de fermentador de cacao automático basado en proceso tradicional ..................................... Roberto Delgado ........................................... José Lazarte 68

Director: Narciso Arméstar Bruno, Tecsup. Editor en jefe: Jorge Bastante Pazos, Tecsup. Comité Editorial: Aurelio Arbildo, Inducontrol; Carlos Hernández, Alicorp; Elena Flores, Cementos Pacasmayo; Jack Vainstein, Vainstein Ingenieros. Coordinadora Editorial: Carhuavilca, Tecsup.

Celene

Alata

Colaboradores: Arturo Rojas, Carlos Córdova Ccollana, Henry Gómez, Hernando Prada, Iván Díaz, Javier Lizárraga, José De Los Ríos, Juan Musayón, Karen Llacho, Ramón Robalino, Rocío Balbín, Samuel Charcas. Correctora de estilo: Laura Gómez Rojas Diagramación: Tarea Asociación Gráfica Educativa. Impresión: Tarea Asociación Gráfica Educativa, Pasaje María Auxiliadora 156-164, Lima 5, Perú. Hecho el depósito legal en la Biblioteca Nacional del Perú: 2007-04706. Tiraje: 2 000 ejemplares. Publicado en noviembre de 2018 Tecsup: Sede Norte: Vía de Evitamiento s/n Víctor Larco Herrera. Trujillo, Perú. Sede Centro: Av. Cascanueces 2221 Santa Anita. Lima, Perú. Sede Sur: Urb. Monterrey Lote D-8 José Luis Bustamante y Rivero. Arequipa, Perú. Publicación Anual: Tecsup se reserva todos los derechos legales de reproducción del contenido, sin embargo autoriza la reproducción total o parcial para fines didácticos, siempre y cuando se cite la fuente. Publicación Indexada en Latindex

Caracterización de cuerdas de ichu y de agave usados en estructuras colgantes ................. César Nunura, César Lecaros, ...................................Roberto Delgado 80 Sistema electrónico de alerta y captura de roedores para el sector agroindustrial ..................... Iván Jeri, Alfredo Rodríguez, ...................Natalie Reynaga, Jessica Villar 86

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Pizarras Digitales Interactivas: ¿Cuáles son los niveles de satisfacción, necesidades y contribuciones desde la mirada de los docentes? ........................David Laura, Luis Almanza 98

Suscripciones: investigacioneinnovacion@tecsup.edu.pe Nota: Las ideas y opiniones contenidas en los artículos son de responsabilidad de sus autores y no refleja necesariamente el pensamiento de nuestra institución.

Estimados lectores: Con mucho orgullo, me permito presentar, en esta oportunidad, la edición número doce de nuestra revista. Los artículos presentados giran alrededor de temas de aplicación en la agricultura, la medicina, la educación, los materiales y la gestión del mantenimiento y de activos, por mencionar los tópicos más relevantes. Todas estas cuestiones han sido abordadas por investigadores de Tecsup y externos. Una vez más, comprobamos la importancia de la investigación aplicada con apoyo de la tecnología para la solución de problemas en la industria. Este ejercicio mantiene la conexión de la academia con la industria y es un círculo virtuoso que, finalmente, alimenta la formación de nuevos profesionales conectados con la realidad de las distintas áreas económicas. Agradezco a todos los autores por su esfuerzo y dedicación para trabajar cada uno de los tópicos. Esta es la oportunidad para reconocer también al equipo que hizo posible la edición de este nuevo número por su entusiasmo y empeño en todo el proceso de producción y edición para obtener un producto de calidad. Estoy seguro de que, como en números anteriores, esta edición cumplirá con sus expectativas. Espero también que, si alguno de los temas es de su interés particular, contacte con los autores para fortalecer el ecosistema de investigación aplicada alrededor de la Revista I + i. Narciso Antero Arméstar Bruno Director

Sin análisis de confiabilidad, es imposible mejorar sistemáticamente las políticas de mantenimiento y, sin una muestra de información de calidad, la toma de decisiones tras el análisis de confiabilidad resultará imprecisa.

David Alonso Nájar Valdivia, Tecsup

Optimizando el proceso de construcción de modelos de decisión en el mantenimiento industrial por análisis de confiabilidad predictivo y dinamismo RCM Optimizing the Construction Process of Industrial Maintenance Decision Models by using Predictive Reliability Analysis and RCM Dynamism RESUMEN Un proceso estocástico, a diferencia de un proceso determinístico, en vez de tener una posible realidad de cómo un proceso puede evolucionar con el tiempo. Posee una evolución futura indeterminada (proceso aleatorio). Esta incertidumbre está descrita por las distribuciones de probabilidad. Los eventos de falla, en un activo físico, obedecen justamente a un orden aleatorio basado en una distribución de probabilidad, la misma que es habitualmente representada en los análisis de confiabilidad (RA) como herramienta para la gestión del mantenimiento, cuyos resultados propiciarían criterios de decisión que permitan optimizar sus estrategias. Los análisis de confiabilidad, empleados en la actualidad, recurren a las dimensiones de datos de edad y de probabilidad de falla para disponer de una representación gráfica bidimensional (función de densidad de probabilidad de falla, PDF) que confiera una relación entre ellas y proponga resultados que alimenten el criterio de la toma de decisiones. Sin embargo, si el fin es optimizar decisiones de gestión del mantenimiento, es necesario asegurar un registro de todas aquellas variables significativas disponibles para generar muestras sólidas y coherentes a fin de construir modelos precisos de decisión, a partir de un análisis de confiabilidad multidimensional. La propuesta que se presenta declara que la correcta consistencia de una muestra parte del grado de dinamismo con el que el cuerpo de conocimiento RCM (mantenimiento centrado en la confiabilidad) se vincula con la gestión diaria de las órdenes de trabajo bajo CMMS (sistema computarizado de gestión del mantenimiento) o EAM (sistema de gestión de activos empresariales), los mismos que no son pensados para favorecer un análisis de confiabilidad. Las órdenes de trabajo propiciarán datos completos de edad e instancias de actualización para los registros FMEA (análisis de modos y efectos de fallas) a medida que se presenten nuevas

ocurrencias de modos de falla. Además de la contribución de los programas CBM (mantenimiento basado en la condición) que añadirán a la muestra, las variables relevantes predictivas sobre los modos de falla que ocurren y que habitualmente se encuentran omitidas o pobremente inmiscuidas en la gráfica PDF bidimensional y, por tanto, tienden a no ser contenidas en los análisis de confiabilidad regulares. La calidad de la muestra se asegurará y se preparará rutinariamente con los atributos de edad y condición que correspondan para potencializar el modelamiento predictivo con resultados satisfactorios sobre los pronósticos probabilísticos, y que respalden las estrategias de mantenimiento a emplear en el momento y componente apropiados, a fin de garantizar un incremento del rendimiento sobre la inversión (ROI) de las plantas industriales.

ABSTRACT

A stochastic process, unlike a deterministic process, instead of having one possible reality of how a process can evolve over time, has an indeterminate future evolution. This uncertainty is described by the probability distributions. Failures events in a physical asset follow a random order based on a probability distribution, which is often represented in the reliability analysis as a tool for the maintenance management, whose results would offer decision criteria in order to optimize maintenance strategies. Current reliability analysis (RA) employ data dimensions based on age and failure probability in order to obtain a twodimensional graphic representation (probability density function of failure, PDF) that provides a connection between them and suggesting results that could improve the making-decision criteria. However, if the plan is to optimize maintenance

Palabras clave Mantenimiento centrado en la confiabilidad, análisis de confiabilidad, sistema computarizado de gestión del mantenimiento, sistema de gestión de activos empresariales, mantenimiento basado en la condición, modelo de riesgos proporcionales. Key words Reliability Centered Maintenance (RCM), Reliability Analysis (RA), Computerized Maintenance Management System (CMMS), Enterprise Asset Management (EAM), Condition Based Maintenance (CBM), Proportional Hazards Model (PHM)

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management, it is necessary to assure a record of all the significant available variables to generate solid and coherent samples, in order to build up precise decision models beginning with a multidimensional reliability analysis. The following proposal states that the proper consistency of a sample initiates with the degree of dynamism which the body of knowledge RCM (Reliability Centered Maintenance) links to the daily work orders management, under the CMMS (Computerized Maintenance Management System) or EAM (Enterprise Asset Management), which are not thought to be in favor of a reliability analysis. Work orders will be converted in definition stages for the life cycles and for the FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) records upgrading as new failure modes occurrences appear. In addition to CBM (Condition Based Maintenance) strategies complicity, which will add in the sample relevant predictable variables over the occurred failure modes, which usually are omitted or poorly involved in the two-dimensional PDF graphic, and therefore, are not often considered in the common reliability analysis. Quality of the sample is therefore assured and routinely prepared with the age and condition attributions, which gives a potential predictive model with satisfactory results about the probabilistic forecast, being able to sustain the maintenance strategies employed at the appropriate time and proper component, in order to guarantee, the return on investment (ROI) growth in the industrial plant.

INTRODUCCIÓN

La tendencia actual en una organización de mantenimiento debería enfocarse en centrar sus esfuerzos para convertir su información en conocimiento, a fin de construir modelos de decisión que respalden la integridad de un activo físico bajo una gestión efectiva del riesgo en términos de confiabilidad. Tal conocimiento toma como origen la generación de muestras de información completas y precisas en base a los datos, los que alimentarán las bases para la optimización de la toma de decisiones en el mantenimiento. Ante esto, surge la necesidad de establecer una estrategia de recolección de datos de fuentes de información diversas para propiciar la muestra: • Información EHM (monitoreo de la salud del equipo), CBM: datos de condición. • Información de órdenes de trabajo – CMMS/EAM: datos de edad. • Información de operación (PCS, DCS, SCADA, etc.). • Base de conocimiento RCM. • Información del negocio: datos de costos. Tanto los datos de condición como los datos de costos, son habilitados por tecnologías de recolección precisas que han alcanzado notable madurez a lo largo de los años. Sin embargo, los datos de edad, persistentemente inconsistentes e imprecisos en las órdenes de trabajo (CMMS/EAM), no respaldan al análisis de confiabilidad para la aplicación de algoritmos de pronóstico de eventos de falla. 6

Es común que la calidad de la información ingresada en las órdenes de trabajo sea insuficiente para construir modelos de decisión predictivos. Es común que el cuerpo de conocimiento inicial RCM, generado a partir del consenso de los mejores recuerdos y experiencias de los analistas involucrados en ese momento, tienda a ser inexacto y estático. Muchas veces, la esencia de su pensamiento distorsionada por la ambigüedad adoptada por los sistemas CMMS/EAM en su estructura de codificación de ciclos de vida. Dado el dinamismo constante de la producción, de la innovación tecnológica y del crecimiento de la experiencia en el mantenimiento, resulta fundamental mantener la jerarquía RCM dinámica y a la vista del proceso diario de órdenes de trabajo, de modo que las estrategias de mantenimiento se revisen de forma continua para acercarse cada vez más a la realidad del contexto operacional actual. Es decir, establecer un vínculo permanente entre la teoría y la práctica, donde es la teoría dispuesta en la base de conocimiento inicial RCM y definida por la descripción precisa de eventos probables, mientras que la práctica, comprende al sistema de órdenes de trabajo, constituyendo los eventos ocurridos en la realidad y las tareas proactivas o reactivas de mitigación que se emplearon. Esta conexión logra una correlación analítica que da como resultado una práctica mejorada para alcanzar la confiabilidad a partir de los datos de edad. Es habitual, además, que dentro de las políticas de prevención de muchas organizaciones de mantenimiento, las decisiones de intervenir por reemplazos generen un gran desaprovechamiento de vida útil en el activo intervenido. Y si, bajo esta filosofía, tratáramos a un activo costoso, la decisión de una intervención frecuente por CBM resultará una mejor opción que la de un reemplazo regular, puesto que permite comprender mejor el comportamiento de su «salud» para tomar decisiones TBM (mantenimiento centrado en el tiempo) oportunas, traduciendo su resultado en una reducción de los costos globales e incremento de vida útil. Resulta, entonces, fundamental optimizar la toma de decisiones bajo un enfoque de estimación de la probabilidad condicional de falla que combine datos de edad y EHM a través de un modelo de riesgos proporcionales. Por tanto, aquellas variables CBM que puedan guardar relación con los modos de falla que ocurren no deben ser ignoradas en los modelos probabilísticos de predicción. Sin análisis de confiabilidad es imposible mejorar sistemáticamente las políticas de mantenimiento, y sin una muestra de información de calidad, la toma de decisiones tras el análisis de confiabilidad resultará imprecisa.

FUNDAMENTOS

Fuentes de información La gestión del mantenimiento debe ser soportada por informaciones diversas que converjan en la toma de decisiones. Como fuentes de información, se rescatan las siguientes: A. Datos de edad: Información que determina el comienzo y el fin de un ciclo de vida. Define la característica de la ocurrencia de un modo de falla.

a. Eventos de falla funcionales (pérdida de la función de un activo). b. Eventos de falla potenciales (estado previo a la falla funcional). c. Eventos de cese por suspensiones (prevención de un modo de falla mayormente). B. Datos EHM: Información relevante de condición en relación a los modos de falla de interés. a. Inspecciones.

Optimización TBM (modelamiento de costos) La variable tp refiere al tiempo en el cual una intervención preventiva se lleva a cabo óptimamente, cuyo valor resultaría en el aumento de la rentabilidad del negocio, costos esperados: bajos. Por tanto, conocerlo resultaría favorable.

f (t) Función de densidad de probabilidad de falla

b. Datos del proceso de los sistemas de control. i. Externas: Esfuerzos externos con consecuencias de fallas funcionales.

ii. Internas: Propias de la degradación de su condición. Detectan la evidencia de una falla potencial. C. Eventos no rejuvenecedores: Información de tareas menores de mantenimiento que no añaden «vida» al activo, pero alteran los datos EHM durante su recopilación. D. Datos de costos: Información monetaria en relación a la implicancia de un evento de fallo o de prevención. Modelos de predicción (distribución Weibull)

(1)

- F(t): Función de distribución acumulada de probabilidad de falla (CDF), dada por: (2)

- h(t): Función del riesgo o tasa de fallas (probabilidad condicional de falla), dada por:

(3)

Donde las variables b, η, y t corresponden al parámetro de forma, al parámetro de escala y a la edad de desgaste respectivamente.

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0 tp

Edad actual

t, edad de desgaste

Figura 1. Función de la densidad de probabilidad de falla. Áreas de probabilidad de falla acumulada y confiabilidad. Fuente: Elaboración propia.

(4)

(5)

- f(t): Función de densidad de probabilidad de falla (PDF), dada por:

R (t)

confiabilidad

Se basa en un método analítico de eventos de falla que proporciona predicciones de confiabilidad además del nivel de confianza con el cual se podían emplear tales predicciones. Sus indicadores principales son los siguientes:

F (t)

posibles

(6)

Donde las variables C t, Cr, C f corresponden al costo esperado, al costo de una intervención preventiva y al costo de falla respectivamente. La misma referencia se da sobre los tiempos t t, tp, t f. Modelo de riesgos proporcionales (Cox PHM) y proceso no homogéneo de modelamiento de tiempos de falla (Markov) Cox PHM amplía la distribución Weibull para cubrir la realidad de las variables EHM (programas CBM). Procedimiento para estimar la probabilidad de falla de un activo físico no solo bajo un criterio de edad, sino también bajo un criterio de condición. Dado por:

(7) Donde las variables Zi (t) y yi corresponden a la variable de condición monitoreada por CBM en un instante t y al parámetro vector que declara el grado de incidencia de la variable de condición sobre la función del riesgo respectivamente. Mientras que Markov modela la probabilidad de transición de los vectores de las variables EHM de un estado a otro (matriz de transición de probabilidad).

METODOLOGÍA

Claramente, es un gran acierto para una organización decidirse por CBM, ¿quién no busca maximizar la vida útil de un activo antes de generarle indisponibilidad por estrategias TBM muy conservadoras? Sin embargo, conducir tal deseo hacia un efectivo programa CBM para intervenciones oportunas no es tarea fácil. Puede resultar dificultoso identificar aquellas variables EHM más significativas e interpretar su influencia sobre la vida útil remanente (RUL). Adicional a ello, está la imprecisión de los sistemas CMMS/EAM en satisfacer muestras consistentes con los requerimientos necesarios de datos de edad, lo que conlleva al fracaso por alcanzar algoritmos de pronóstico de decisión en los planes de mantenimiento. Sin embargo, identificadas las variables de condición correctas y los datos de edad bien definidos, se podrá establecer con precisión decisiones de intervención TBM buenas y oportunas sobre el activo en estudio bajo los siguientes criterios: • Intervención inmediata dada su condición crítica. • Intervención planificada dentro del periodo que sigue a la inspección CBM realizada, pero antes de la siguiente. • Continuar operando hasta la próxima inspección CBM.

Además de la optimización de TBM por análisis de confiabilidad regular (edad vs. probabilidad de falla), Cox PHM refina aún más esta optimización a través de modelos predictivos de decisión soportados bajo una estructura que propicia la interacción entre los distintos niveles de jerarquía del Departamento de Mantenimiento. Esto se realiza a través de métricas lagging y leading, enfatizando sobre aquellas que refieran a la operatividad del día a día, donde el personal pueda influenciarlas (leading) para que respalden a las métricas organizacionales (lagging). Jerarquía RCM real, actualización de su conocimiento y definición de datos de edad El personal directamente relacionado con los planes de mantenimiento consolidará el conocimiento de las órdenes de trabajo que fueron cerradas sobre la jerarquía RCM, ya sea validando aquellos modos de falla declarados en su base de conocimiento inicial, modificándolos o agregando nuevos de acuerdo con lo ocurrido en campo. Es decir, de observar divergencias entre la realidad y el conocimiento inicial RCM, se actualizará este último al escenario real. Esto permitirá al RCM representar el conocimiento colectivo para justificar planes de mantenimiento que representen estrategias de mitigación que se ajusten a la realidad y sirvan de premisa al planificar futuras órdenes de trabajo.

Figura 2. Vinculación de una orden de trabajo sobre la jerarquía RCM. Fuente: MESH software. MESH software es un sistema computarizado de gestión efectiva de la información y el conocimiento del mantenimiento a fin de extraer muestras precisas y de calidad para análisis de confiabilidad. Vincula permanentemente a los sistemas de órdenes de trabajo (CMMS/EAM) con la base de conocimiento RCM.

Dada la forma en cómo se registran las órdenes de trabajo en los sistemas CMMS/EAM, la consistencia de la información de los datos de edad para la muestra que se pretende no podría ser generada desde esta instancia, por lo que es necesario

referirse a la base de conocimiento RCM. Esta vinculación de conocimientos (CMMS/EAM y RCM) define sobre el modo de falla en análisis (orden de trabajo), un tipo de evento de fin como de inicio.

Figura 3. Definición de eventos de fin de modos de falla. Fuente: MESH software.

Dashboard de KPIs, mejoras de conocimiento y estimación simple de la confiabilidad

Figura 4. Cuadro de mando integral de desempeño RCM. Fuente: MESH software.

Dado que el cuerpo de conocimiento RCM se encuentra entre las herramientas intelectuales con mayor valor en la gestión de activos dentro de una organización, su crecimiento sistemático debe ser monitoreado y dispuesto a todo el personal

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correspondiente a través de un cuadro de mando integral. Sus métricas resaltarán con precisión las debilidades de nuestra política de mantenimiento y fomentarán acciones de control para optimizar su gestión.

Figura 5. Estimación simple de la confiabilidad desde la jerarquía RCM. Fuente: MESH software.

Un panorama rápido desde la forma más básica de confiabilidad es revelado desde la base de conocimiento RCM a través de su MTBF (tiempo promedio entre fallas). El conteo del número de instancias existentes de un modo de falla en cuestión en un tiempo transcurrido, definido por el usuario, favorece a este indicador. Panorama que, además, validará los datos para técnicas avanzadas de confiabilidad y modelamiento predictivo. Preparación de la muestra y análisis de confiabilidad avanzado Los eventos no rejuvenecedores no deben ser ignorados, pues confundirá el análisis al asumir que la condición de un activo ha mejorado de alguna manera, no se conoce la razón, pero mejoró. Estos eventos deben tenerse en cuenta al elaborar un análisis predictivo correlacionado con la probabilidad de falla. Su identificación ignorará esas mejoras «artificiales» de la condición monitoreada y refinará el modelamiento de análisis predictivo reduciendo la desviación estándar en la estimación de la vida útil remanente (RULE). Una vez con los datos de edad correctamente definidos y completos, se le sobrepondrán aquellas variables EHM que guarden un patrón precedente de influencia significativa sobre los eventos de falla potenciales y funcionales. Esta muestra de información combinada representa la fuente de entrada para el proceso Cox PHM, y tras el resultado de su análisis, la consecuente toma de decisiones optimizada. El proceso Cox PHM - Markov cuantificará el riesgo combinado, extendiendo sobre la edad aquellas variables EHM influyentes. Esta influencia logra medirse por su grado de significancia, es decir, de cuan bien se encuentran estadísticamente relacionadas con el modo de falla bajo análisis.

discrepancia entre la jerarquía inicial RCM y la realidad observada con respecto a los modos de falla ocurridos, sus efectos, consecuencias y tareas de mitigación (conocimiento RCM coincidente con la realidad). • Capturar variables de valor predictivo influyentes sobre los modos de falla en análisis y que infieran directamente sobre el modelo de riesgo. • Propiciar muestras de información sólidas y completas. • Aplicar técnicas avanzadas de análisis de confiabilidad. • Referir a la base de conocimiento RCM no solo al cerrar las órdenes de trabajo, sino también cuando estas se planifiquen, convirtiendo a la jerarquía RCM en fuente fidedigna para los planes de mantenimiento futuros para hacer frente óptimamente a los modos de falla, sus efectos y sus consecuencias.

CMMS/EAM

RCM

La sinergia de estas etapas permite, como aporte, lo siguiente: • Registrar, claramente, datos de edad definiendo su tipología de ciclo de vida respecto a un modo de falla en análisis al momento de cerrar una orden de trabajo. • Retroalimentar, dinámicamente, la base de conocimiento inicial RCM a través de un permanente vínculo con las órdenes de trabajo cerradas, con el fin de evaluar cualquier 10

Figura 6. Interacción sistemas CMMS/EAM, RCM y RA. Fuente: Elaboración propia.

Aporte que trasciende en premisas fundamentales para conducir la construcción de modelos predictivos de decisión en la gestión estratégica del mantenimiento. Gráficamente:

Figura 7. Propuesta de la estructura de construcción de modelos predictivos de decisión. Técnica CBM: análisis de aceite. Variables EHM (ppm): Fe, Pb, Ca y Mg. Fuente: Elaboración propia.

PHP Parameter Estimation Trans (ilcm) (350 T Transmission Oil Analysis) Summary of Events and Censored Values Sample Size

Failed

Censored (Def)

Censored (Temp)

% Censored

53.8

Summary of Estimated Parameters (based on ML method) 95% CI

Parameter

Estimate

Sign. (*)

Standard Error

Wald

p. Value

Exp of Estimate

Lower

Upper

Scale

1.608e+05

4.023e+05

9.493e+05

Shape

4.277

1.672

3.844

0.04992

1.001

7.554

Iron

0.2433

0.08155

8.904

0.002845

1.276

0.8351

0.4032

Lead

1.129

0.3682

9.394

0.002177

3.091

0.4069

1.85

0.0009974

0.001469

0.4607

0.4973

1.001

-0.001883

0.003877

0.03506

0.06885

0.2593

0.6106

1.036

-0.09988

0.17

Calcium Magnesium

Tabla 1. Evaluación PHM de la muestra. EHM: Variables relevantes para el algoritmo predictivo: Fe y Pb. Variables irrelevantes: Ca y Mg. Fuente: EXAKT software.

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PHP Parameter Estimation Trans (il) (350 T Transmission Oil Analysis) Summary of Events and Censored Values Sample Size 13

Failed 6

Censored (Def) 3

Censored (Temp) 4

% Censored 53.8

Summary of Estimated Parameters (based on ML method) Parameter Scale Shape Iron Lead

Estimate 3.899e+04 5.007 0.2626 1.052

Sign. (*)

Standard Error

Wald

Y Y Y

1.638e+04 1.57 0.07738 0.376

11.59 11.52 7.83

DF 1 1 1

p. Value 0.0005352 0.000689 0.005138

Exp of Estimate 1.3 2.864

Lower 6882 2.739 0.111 0.3152

95% CI Upper 7.109e+04 7.276 0.4143 1.789

Tabla 2. Reajuste de la evaluación PHM de la muestra. Variables EHM relevantes: Fe y Pb. Fuente: EXAKT software. EXAKT software es una potente herramienta computacional para realizar análisis de confiabilidad. Su análisis extiende las dimensiones de un análisis de confiabilidad basado en la edad, al incluir datos de monitoreo de condición. Su objetivo es el de predecir eventos de falla y optimizar las estrategias del mantenimiento basado en la condición (CBM).

Un valor del parámetro de forma (β) elevado puede significar lo siguiente:

lo tanto, las decisiones tomadas del modelamiento predictivo basadas en CBM serán óptimas.

• Las variables EHM no guardan mucho valor predictivo sobre el modo de falla en análisis (más dependientes de la edad).

Los resultados que se generarían tras el análisis PHM propiciarán dos criterios de decisión:

• Existen variables EHM influyentes, pero no monitoreadas (hay mejores candidatas).

• Tomar decisiones bajo un criterio de la probabilidad de falla. Es decir, tomar decisiones en función al RUL, el mismo que se encuentra sujeto al grado de dispersión de sus datos, dispersión relacionada de manera directa y proporcional con la desviación estándar y el parámetro de escala, pero con influencia inversa sobre el nivel de confianza para valerse del RUL para la toma de decisiones. Las decisiones de mantenimiento que respaldan este criterio son comunes cuando los costos que incurren correr hasta la falla no se pueden estimar o son desconocidos, como eventos de falla que involucran serias consecuencias HSE (salud, seguridad y medioambiente).

• Existencia de inconsistencia en la identificación del modo de falla (forma de su registro en los sistemas CMMS/EAM). • Mala distinción entre eventos de edad (suspensiones confundidas con fallas). En cambio, un bajo valor del parámetro de forma nos indicará que el programa CBM empleado es efectivo, las variables EHM predominarán en criterio sobre la probabilidad de falla y, por

Density *10075.75

Conditional Density Function

Working Age= 9629.00 [Hrs] Probability Intervals RUL= 2793.493002. StdDev= 1785.727239 Figura 8. Función de densidad de probabilidad de falla. RUL: 2793.49 horas. Edad de operación actual: 9629.00 horas. σ: 1785.73 horas. Fuente: EXAKT software.

• Decidir bajo criterios de rentabilidad y probabilidad de falla. Es decir, tomar decisiones basadas en los datos de edad y las variables significativas EHM (RUL), y vincularlas con los costos globales de mantenimiento (datos del negocio) para alcanzar un nivel óptimo del riesgo que garantice la más alta disponibilidad a un riesgo que resulta alcanzando el menor costo de mantenimiento. Este criterio soporta decisiones relacionadas con las consecuencias operacionales y no operacionales de un modo de falla, cuyo impacto económico puede ser calculado. Su modelo de decisión está representado por la suma ponderada de las variables EHM respecto al a la edad, identificando la mejor decisión oportuna de intervención TBM.

Cost Function

Average Cost [$/Hrs]

La desviación estándar es un excelente indicador del desempeño predictivo en una estrategia CBM. Es un indicador indirecto de la precisión de datos de edad reportados en las órdenes de trabajo, por lo que servirá para evaluar el manejo de la información de un sistema CMMS/EAM.

Risk [$/Hrs] (hazard*K) Figura 9. Función costo. Costo global promedio vs. riesgo. Fuente: EXAKT software.

Cost [$/Hrs]

Preventive Repl. Cost [$/Hrs]

Failure Repl. Cost [$/Hrs]

Prev. Repl. [%]

Failure Repl. [%]

Expected Time Between Replacements

Optimal Policy

0.378258

1.2

3326.4

1.52209

0.0218851 (5.8 %) 1.52209 (100.0 %)

98.8

Replacement Only At Failure

0.356373 (94.2 %) 0 (0.0 %)

0.0

100.0

3941.95

Saving

1.14383 (75.1 %)

-0.356373

1.5002

-98.8

98.8

-615.548

Tabla 3. Resumen de la información gráfica de la función costo. Fuente: EXAKT software.

La tabla 3 compara los costos y los tiempos promedios entre intervenciones por mantenimiento. Detalla que el costo mínimo de mantenimiento por la política propuesta del modelo resultante es de 0.38 $/hora (94.2 % TBM y 5.8 % correctivo), tras fijar nuestras intervenciones por mantenimiento a largo plazo a 98.8 % por TBM bajo un MTBR de 3326.40 horas por sobre 1.2 % de intervenciones correctivas. De continuar sin la política propuesta, el costo por hora de mantenimiento resulta ser 75.1 % mayor que el óptimo, bajo un 100 % de intervenciones correctivas con un MTBF aproximado de 3 941.95 horas.

Replacement Decision

Composite Covariate Z= 0,525252

La figura 9 ilustra la minimización del costo promedio global en función del contraste entre la información del costo promedio de un evento de falla funcional y el costo promedio de un reemplazo preventivo. El área roja representa los costos promedios atribuidos a eventos no planeados (fallas); y el área verde, a los costos promedios atribuidos a intervenciones TBM. El riesgo óptimo al costo promedio general ideal y el que se pretende: 0.69; 0.38 $/hora.

Working Age = 9629 [Hrs] Z= 0.26263*Iron + 1.0522*Lead Figura 10. Suma ponderada de variables EHM vs. edad. Fuente: EXAKT software.

17-66: Condition-Based Replacement Policy – Decision Report Trans (il) (350 T Transmission Oil Analysis) Decision Parameters Recommendation Expect to Replace in [Hrs] Probability of Failure in (250) [Hrs] Probability of Failure in (500) [Hrs] Report Date Current Status

Don’t intervene 2 311.39 0.000210552 0.000443523 06/07/18 In operation

Tabla 4. Interpretación resumida de la figura 10. Fuente: EXAKT software.

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Las decisiones tomadas a partir de la figura 10 recaen sobre la suma ponderada. De resultar el análisis sobre el área verde, implica que no se requiere intervención TBM por el momento; sobre el área amarilla, el activo no requiere TBM antes de la siguiente intervención CBM; y si se da sobre el área roja, se traduce en una intervención TBM inmediata. Prever reemplazo preventivo en 2 311.39 horas. El criterio que se tome depende del alcance de las responsabilidades de sus gestores. Sin embargo, ambos son válidos.

RESULTADOS

Dada que esta iniciativa tiene sus bases en el personal más que en la tecnología, su soporte recae, permanentemente, sobre los indicadores de bajo nivel.

Figura 12. Primer refinamiento de la función de densidad de probabilidad de falla. Fuente: Elaboración propia.

En la figura 12, ocurre un primer refinamiento de la función de probabilidad de falla al mejorar la calidad de los datos de edad a través de la iniciativa propuesta (vinculación CMMS/EAM y RCM). El efecto de su correcta y completa definición provee una reducción significativa del margen de error en la estimación del RUL.

La metodología propició una mejora sistemática de la base del conocimiento RCM a través de sus continuas actualizaciones basadas en los registros reales de las órdenes de trabajo para respaldar al análisis de confiabilidad, lo que favorece la optimización del planeamiento de futuras órdenes de trabajo de mantenimiento en cuanto a estrategias y frecuencias de intervención. Se mejoró la confianza del modelamiento predictivo al reducir la desviación estándar en el RULE gracias a la completa y correcta definición de los datos de edad. El mismo efecto trajo consigo la adecuada identificación de las variables EHM que, añadidas a la edad, redujeron el parámetro de forma dispuesto por el proceso Cox PHM, traducido en la subsecuente mejora de la efectividad de los programas CBM sobre la probabilidad de falla. El proceso, básicamente, mejoró la forma de pensar del análisis de confiabilidad bidimensional tras hacerlo multidimensional. Una representación gráfica de esta mejora se ilustra como sigue:

Figura 13. Segundo refinamiento de la función de densidad de probabilidad de falla. Fuente: Elaboración propia.

Surge un segundo refinamiento de la función de probabilidad de falla al incluir en el modelo una dimensión relevante correspondiente a las variables EHM significativas sobre la probabilidad de falla. Su resultado trae un efecto adicional de reducción del margen de error en la estimación del RUL (proceso Cox PHM).

Figura 11. Función de densidad de probabilidad de falla. RUL y desviación estándar. Fuente: Elaboración propia.

La figura 11 representa el modelamiento bidimensional entre los datos de edad capturados en sistemas CMMS/EAM respecto a la de desgaste bajo la condición actual del activo. Representando, además, sobre ella la vida útil remanente y el grado de dispersión.

Figura 14. Análisis bidimensional de confiabilidad vs Análisis multidimensional (Cox PHM). Fuente: Elaboración propia.

El análisis de confiabilidad multidimensional de esta iniciativa da realmente sentido al CBM, lo que permite establecer una óptima estrategia TBM, justo antes de su rápido decremento en confiabilidad en términos del RUL. Este análisis respalda la mejora sistemática de la gestión del mantenimiento a través de la toma de decisiones buenas y oportunas sobre las políticas de intervención. CONCLUSIONES • La estructura de los sistemas de información CMMS/ EAM se centran en la planificación y la programación de los eventos de falla, la base de conocimiento RCM en la descripción precisa de eventos de falla probables y el entendimiento de sus comportamientos y sus consecuencias, mientras que el análisis de confiabilidad en modelamientos probabilísticos de futuros eventos de falla, llámese Cox PHM. La unificación e interacción de estos tres sistemas de conocimiento resulta en métricas de desempeño de alto nivel, las cuales se traducen en una mayor confiabilidad y disponibilidad de los activos físicos y en un mejor ROI para la organización. • El empleo de variables EHM, conjuntamente con los de edad, fortalece el criterio de los gestores de la ingeniería del mantenimiento en orden para tomar decisiones acerca de cómo, cuándo y qué mantener. Combinando los modelos Cox PHM y Markov, podemos proyectar la confiabilidad futura basada en actuales tiempos de operación y estados actuales de las variables EHM. • La ventaja de una política CBM sobre una TBM como estrategia de mantenimiento es que considera tanto a la edad del activo como el estado su condición, encriptado en variables EHM (hasta el momento de la toma de decisiones), cuya relación observada conducirá a predicciones precisas sobre futuros eventos de falla. Así, se maximizará la vida útil del activo y la rentabilidad del negocio.

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ACERCA DEL AUTOR David Alonso Nájar Valdivia Ingeniero mecánico electricista. Con estudios de posgrado en ingeniería de mantenimiento y confiabilidad aplicada a la gestión de activos físicos en Perú, Colombia y Canadá, trasladando estos conocimientos a la industria minera, principalmente, como gestor de mantenimiento y confiabilidad operacional de equipos de planta en Perú y Colombia. Además de estos estudios de posgrado, también cursó, en España, estudios sobre ingeniería de piping, con experiencia en diversos proyectos piping en plantas termosolares, centrales térmicas, plantas de cogeneración, plantas de tratamiento de aguas, plantas petroquímicas, sistemas de distribución, entre otros, en España, Marruecos, Argelia y Portugal. Cuenta también con estudios de posgrado en Business Administration en la Universidad ESAN de Perú. dnajar@jarvax.com.pe

Se creó un sistema de telemedicina para atender las necesidades específicas de pacientes en cuidado paliativo, este recolecta datos del enfermo a través de un sensor, cuyas mediciones son examinadas por profesionales de la salud desde un dispositivo móvil o una computadora.

Juan Carlos Bueno1, Jaime Farfán1, José de la Puente1, Luis Peña1, César Arce1, Anthony Aróstegui1, Bregy Malpartida1, Julio Valdivia-Silva1, José PérezLu2, Miguel Egoavil3, Daniel Cóndor3, Miguel Pinazo3, Juan Quezada3. Universidad de Ingeniería y Tecnología UTEC, 2Ministerio de Salud del Perú MINSA, 3Unidad de Epidemiología, ETS y VIH de la Facultad de Salud Pública y Administración Carlos Vidal Layseca de la Universidad Peruana Cayetano Heredia. 1

Telemedicina en cuidados paliativos: una aplicación que ayuda a cuidadores y personal médico Telemedicine in Palliative Care: An Application which helps Caregivers and Medical Staff RESUMEN

ABSTRACT

Este artículo propone una solución a un problema de salud pública asociado con pacientes en cuidado paliativo, que son atendidos por cuidadores en sus casas. Nuestro objetivo fue desarrollar una aplicación de telemedicina con buena aceptabilidad de los usuarios.

This article proposes a solution to the public health problem associated with patients in palliative care, who are cared for by caregivers in their homes. Our objective was to develop an accessible and acceptable telemedicine application for users.

La metodología utilizada se dividió en 4 fases: 1) un estudio cualitativo para identificar qué necesidades existen en un entorno de cuidados paliativos en el domicilio; 2) desarrollo de aplicación y hardware; 3) validación y ajustes de las aplicaciones; y 4) implementación y evaluación de la aplicación. Como resultados, en la primera fase se definió el sensor médico esencial para cuidados paliativos, así como los temas de capacitación para el cuidador. En la segunda, se creó una aplicación que permite la monitorización remota del paciente. En la fase de validación y ajustes de la aplicación, se corrigieron algunos aspectos del software y hardware. En la última fase, la aplicación se implementó para un grupo de casos en la ciudad de Piura por un periodo de 30 días.

The methodology used was divided into 4 phases: 1) Identification of the patients’ requirements for caregivers in palliative care, 2) application and hardware development, 3) application validation and adjustments, and 4) application implementation and evaluation. As a result, in the first phase, it was defined the essential sensor for palliative care and training topics for the caregiver, as well. In the second phase, an application was created allowing remote monitoring of the patient. In the third phase of application validation and adjustments, there were some software and hardware aspects. In the fourth phase, the application was implemented in the city of Piura for a period of 30 days.

Como conclusiones, se identificaron las funcionalidades recomendadas para una aplicación de este tipo, tales como registro de la escala de dolor, registro de síntomas, seguimiento del tratamiento e informe de evolución de escaras. Existen muy pocos estudios de telemedicina en cuidados paliativos en general. Este desarrollo apoya a la comunidad científica al mostrar una implementación de un aplicativo de telemedicina en un país en vías de desarrollo, donde hay escasez de personal de salud capacitado en esta especialidad y los presupuestos de salud pública son limitados.

As conclusions, the functionalities recommended for an application of this type were identified as the record of pain scale, record of symptoms, record of functionalities, followup of treatment and report of the evolution of bedsores. There are very few telemedicine studies for palliative care. This development collaborates with the scientific community showing an implementation for a developing country, where there is little health personnel trained in this specialty and public health budgets are limited as well.

Palabras clave Manejo del dolor, cuidado a distancia, telemedicina, cuidado paliativo.

Key words Pain management, distance care, telemedicine, palliative care.

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INTRODUCCIÓN

En países en vías de desarrollo, existe un número creciente de personas que padecen algún tipo de enfermedad terminal. Estas requieren cuidados paliativos, definidos por la Organización Mundial de la Salud (OMS) como «un planteamiento que mejora la calidad de vida de los pacientes (adultos y niños) y sus allegados cuando afrontan problemas inherentes a una enfermedad potencialmente mortal. Previenen y alivian el sufrimiento a través de la identificación temprana, la evaluación y el tratamiento correctos del dolor y otros problemas, sean estos de orden físico, psicosocial o espiritual» [19]. El cuidado paliativo está reconocido dentro del contexto del derecho humano a la salud. [2], [3]. Los hospitales y centros de salud no tienen la capacidad para atender a estos pacientes. Por ejemplo, según el Ministerio de Salud en Perú, en 2012 hubo 1.5 camas de hospital por cada 1 000 habitantes. En comparación, el Banco Mundial informó en 2014 que otras economías desarrolladas tienen más de diez camas por cada 1 000 habitantes. Estos pacientes pueden ser cuidados en casa, acompañados por sus familias, lo que aumenta su calidad de vida. El monitoreo de los signos vitales del paciente puede realizarse remotamente, permitiendo la interacción personal del médico con su paciente y familiares cuidadores a través de dispositivos tecnológicos [17]. El objetivo de este estudio es determinar si una aplicación de telemedicina puede tener una buena aceptación de los usuarios en el Perú. «Telemedicina se define como el uso de tecnología de telecomunicaciones para el acceso del paciente a servicios de salud» [1].

FUNDAMENTOS

El interés por la telemedicina se inició en los años setenta. Desde entonces, los estudios se enfocaron en áreas tales como oncología [5], cardiología [16], hipertensión [10], depresión [4], por mencionar algunas. Sin embargo, hay muy pocos trabajos acerca de la aplicación de la telemedicina en cuidados paliativos. Entre ellos, el artículo de Peachey [12] describe un estudio piloto de telemedicina paliativa enfocada en la transmisión de datos vía teleconferencia durante las visitas periódicas de los médicos a los pacientes en cuidado paliativo en sus casas. Existe otro estudio acerca de la aceptación que podría tener el uso de telemedicina en pacientes que han completado radioterapia paliativa [6]. El proyecto ECHO [8], por su parte, propone un modelo que no es exactamente telemedicina, pues busca diseminar el conocimiento de médicos especialistas en cuidado paliativo a médicos generales en áreas rurales. Asimismo, investigaciones como la de Peng [13], evalúan la factibilidad, la reducción de costos y la satisfacción de los pacientes con dolor crónico. Lewis [7] y Salles [15] estudian la telemedicina y el cuidado de escaras de la piel, mientras que otros autores se enfocan en especialidades como Cardiología Pediátrica [9], Dermatología [18] y Urología [17]. 18

Además, se utilizó una historia clínica simplificada en formato electrónico, la cual incluye el registro de datos de monitoreo de señales vitales del paciente, consultas, diagnósticos, tratamientos, escala del dolor, seguimiento a la toma de medicamentos y la posibilidad de comunicación virtual entre el cuidador del paciente y el médico tratante. Esta investigación, que puede ser empleada como base de otras iniciativas, describe las fases de la metodología empleada, los hallazgos del estudio cualitativo, la aplicación desarrollada y la programación del hardware, de modo que allane el camino a otros investigadores para que progresen de forma más rápida en el desarrollo de aplicaciones de monitoreo de pacientes en cuidado paliativo.

METODOLOGÍA

En este trabajo, se creó un sistema de telemedicina para atender las necesidades específicas de pacientes en cuidado paliativo. Este sistema recolecta datos del enfermo a través de un sensor, cuyas mediciones son examinadas por profesionales de la salud desde un dispositivo móvil o una computadora conectados a Internet. El estudio estuvo dividido en cuatro fases que se describen a continuación: Fase 1: estudio cualitativo En esta etapa, se realizaron dos grupos focales: uno, con la participación de ocho familiares encargados de un paciente en cuidado paliativo/crónico (enfermedad crónica incapacitante o cáncer terminal); y otro dirigido a ocho cuidadores de pacientes en cuidado paliativo (no familiares). Asimismo, se llevaron a cabo entrevistas en profundidad a seis médicos especialistas en cuidado paliativo, cuatro médicos generales, un psicólogo y tres enfermeras (Tabla 1). Para analizar los resultados, la información obtenida se clasificó en tres grandes temas: Gestión de la información de enfermedades crónicas, oncológicas y pacientes terminales. En esta categoría, se evaluó el grado de conocimiento que tenían los cuidadores en dichos temas. Conocimiento y acciones en cuidado paliativo. Se exploró qué información y prácticas eran aplicadas por los cuidadores en el manejo de los pacientes, para luego contrastarlas con las acciones recomendadas por los médicos. Uso de información y tecnologías de comunicación para cuidado paliativo. Dentro de esta categoría, se analizó el uso de dispositivos móviles por parte de los cuidadores y especialistas. Especialmente, en el empleo que consideraban posible a dichos dispositivos para la protección de pacientes en cuidado paliativo, sobre todo, en su monitoreo, el intercambio de información entre cuidadores y especialistas, el recordatorios de acciones específicas y el uso de tutoriales a través de los dispositivos.

Grupo Cuidadores no familiares Cuidadores familiares

Especialistas

Lugar de trabajo

Participantes

Fecha

Lugar de entrevista

Instituto privado para el tratamiento de cáncer

6 cuidadores (enfermeras)

10/03/2016

Universidad peruana Cayetano Heredia

Programa de salud regional

4 familiares

25/02/2016

Hogar de la familia

Programa de salud regional

2 familiares

16/03/2016

Hogar de la familia

Programa de salud regional

3 familiares

16/03/2016

Hogar de la familia

Programa de salud regional

2 familiares

16/03/2016

Hogar de la familia

Instituto privado para el tratamiento de cáncer

Médico especialista en cuidado paliativo 1

19/01/2016

Instituto privado para el tratamiento de cáncer

Médico especialista en cuidado paliativo 2

20/01/2016

Hospital público

Programa de salud regional

Médico especialista en cuidado paliativo 3

26/01/2016

Dirección Regional de Salud

Programa de salud regional

Médico especialista en cuidado paliativo 4

29/01/2016

Dirección Regional de Salud

Médico especialista en cuidado paliativo 5

29/01/2016

Dirección Regional de Salud

Programa de salud regional

Médico especialista en cuidado paliativo 6

03/02/2016

Dirección Regional de Salud

Instituto privado para el tratamiento de cáncer

Psicólogo 1

21/01/2016

Hogar de la persona entrevistada

11/02/2016

Instituto privado para el tratamiento de cáncer

Programa de salud regional

Instituto privado para el tratamiento de cáncer

Enfermera 1

Instituto privado para el tratamiento de cáncer

Enfermera 2

12/02/2016

Instituto privado para el tratamiento de cáncer

Enfermera 3

23/02/2016

Instituto privado para el tratamiento de cáncer

Tabla 1. Fuentes de información. Fuente: Elaboración propia.

Fase 2: diseño y desarrollo del software de aplicación En este punto, se diseñó un prototipo funcional del sistema para satisfacer las necesidades de los pacientes y cuidadores en un entorno de cuidado paliativo, que fueron identificadas en la fase previa. Se tomaron en cuenta las mejores prácticas de usabilidad del software, para ofrecer una interface amigable y una buena experiencia de usuario. Se diseñó una base de datos para almacenar la información generada por la aplicación. Fase 3: validación de la aplicación Antes de probarse en pacientes reales, la aplicación fue ensayada por el equipo del proyecto (validación interna) y luego con personal médico no involucrado en el estudio (validación externa). Fase 4: implementación y evaluación de la aplicación Después de la etapa de validación, se procedió a la implementación del sistema de telemedicina. La información acerca de pacientes elegibles para el proyecto fue obtenida directamente de instituciones y médicos en contacto con las familias. El personal médico ofreció a los pacientes y sus cuidadores la posibilidad de participar durante el estudio piloto. Además, se les solicitó que firmen un documento de consentimiento informado antes de ser reclutados.

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Antes de la implementación, los cuidadores familiares y no familiares fueron entrenados en el uso de los dispositivos. Durante esta etapa, se realizaron los ajustes necesarios para asegurar que estos funcionaran apropiadamente. Los médicos también fueron capacitados en el uso de la historia clínica simplificada. Asimismo, se llevó a cabo un acompañamiento constante a los cuidadores y personal médico por parte del equipo técnico de soporte. Se preparó un reporte de implementación, que tomaba en consideración encuestas de usabilidad a los cuidadores. Cada dos días se generó un análisis de datos enviados por el pulsoxímetro, esta información se almacenó en el servidor de base de datos de la nube. En los diez pacientes, la aplicación fue evaluada a través de encuestas de usabilidad y satisfacción.

RESULTADOS

La tecnología en estudio fue bien aceptada por los cuidadores familiares, quienes reconocieron un impacto favorable en el entorno del paciente. En la fase 1, se concluyó lo siguiente: 1) el empleo de las tecnologías de la información y la comunicación en el área de cuidados crónicos y paliativos es importante, 2) es esencial la comunicación entre el personal de salud y los cuidadores, 3) se requiere el uso de escalas y protocolos para una adecuada 19

atención de los pacientes, 4) se identificó la necesidad de que los cuidadores sean entrenados en seis tópicos relacionados con el paciente en cuidado paliativo: prevención de escaras, aplicación de inyectables, higiene, cuidados generales del paciente, uso de bolsa de colostomía y alimentación, 5) se aprendió que el pulsoxímetro era un sensor imprescindible, en tanto que incluir más sensores podría afectar negativamente la calidad de vida del paciente sin proveer información relevante. Por ello, se descartó la idea de utilizar un kit de doce sensores a ser conectados al paciente, 6) es necesario tener un sistema con módulos correctamente integrados, que incluya escalas de dolor y protocolos y 7) es importante mantener un registro electrónico de la data del paciente. Una implementación de un sistema de telemedicina para pacientes en cuidado paliativo en un programa de salud pública debe tener en cuenta la falta de conocimientos en cuidado paliativo de los cuidadores familiares y recursos materiales limitados. Los cuidadores identificaron tópicos de capacitación que consideraron necesarios: higiene, alimentación, cuidados generales, uso de bolsa de colostomía, inyectables y prevención de escaras. Por esta razón, se crearon videos de instrucción para cada tema que se almacenaron localmente en el dispositivo móvil (Tablet) para que así no se consumiera el plan de datos al descargar continuamente el video de Internet.

Figura 1. Kit para el cuidador. Fuente: Elaboración propia.

El perfil del cuidador (Figura 2) tiene cinco opciones para enviar información al médico, con fecha y hora de transmisión: 1) Escala de dolor (de 0 a 10); 2) Síntomas (fiebre, dificultad para respirar, náuseas, diarrea, estreñimiento, dificultad para dormir, ansiedad/decaimiento); 3) Funcionalidad (capacidad para atender de forma autónoma sus necesidades fisiológicas); 4) Tratamiento (organizado como un calendario acompañado de una agenda en la cual los cuidadores pueden registrar la medicación administrada al paciente); 5) Escaras (puede adjuntar fotos para reportar la evolución de las escaras); y 6) Opción para visualizar videos de instrucción sobre higiene, alimentación, uso de bolsa de colostomía, inyectables y prevención de escaras.

En la fase 2 se desarrolló una aplicación con el uso de herramientas Open Source. El software es una aplicación accesible vía web creada por medio de herramientas Open Source y con base de datos en la nube, que ofrece diferentes perfiles para el cuidador y el médico. La aplicación comprende de los siguientes componentes: Módulo de comunicación Está compuesto por un software de transmisión de información desde el cuidador a los especialistas y viceversa. Además, envía datos capturados por el pulsoxímetro. El sistema muestra también información del paciente en un formato visualmente amigable, el cual incluye pestañas con gráficos e íconos. Módulo de registro El aplicativo tiene perfiles de usuario con identificador y contraseña que permiten el acceso a un conjunto de opciones de acuerdo al rol de médico o cuidador.

Figura 2. Perfil del cuidador. Fuente: Elaboración propia.

El perfil del médico (Figura 3) permite visualizar la lista completa de pacientes, seleccionar uno y revisar la evolución de datos tales como temperatura, pulso, dolor, medicación, antecedentes y síntomas específicos como por ejemplo fiebre o mareo.

Módulo de entrenamiento Contiene videos de instrucción para el cuidador. Módulo de monitoreo (hardware) El hardware incluye un oxímetro de pulso y una cámara de video. Para los cuidadores, se eligió una tablet de 8 pulgadas, a la cual se añadió un chip de telefonía móvil 3G con un plan de datos. Se recibían los datos desde el pulsoxímetro, los cuales se transmitían de forma inalámbrica a la tablet que, a su vez, los enviaba a la nube. 20

Figura 3. Perfil del médico. Fuente: Elaboración propia.

En la fase 3, la aplicación fue validada tanto por el personal involucrado en el proyecto (validación interna) como por médicos

no vinculado al estudio (validación externa). Las acciones de validación interna y los hallazgos se describen en la tabla 2.

Alcance de la validación

• • • • • • • • •

Especificaciones de diseño. Modelo Entidad-Relación (diagrama de estructura) de la base de datos. Diccionario de datos del médico. Diccionario de datos del paciente. Manual del usuario (entendimiento). Manual del sistema (correspondencia con aplicativo). Interface del paciente. Interface del doctor. Verificación interna del sistema.

Validación interna (pasos)

• • • • • • •

Acceso a la página web de la aplicación desde una PC de escritorio y una tablet con comunicación WiFi local 3G. Ingreso a cuenta del médico para incorporar datos de un nuevo paciente. Llenar información correspondiente a 30 consultas de distintos pacientes. Validación de los tipos de datos de cada campo. Validación de cada una de las opciones del menú. Acceso al perfil del cuidador. Verificación de la correlación entre la información ingresada por el médico para un paciente versus la información visible al cuidador del mismo paciente.

Oportunidades de mejora

• • • •

Corregir longitud de campos para ingreso de datos (sexo, historia clínica, estado civil, documento de identidad). Lograr una navegación entre formularios más fluida. Ausencia de campos para ingresar posibles reacciones alérgicas a determinados medicamentos. Incorporar cálculo automático del índice de masa corporal. Tabla 2. Validación interna de la aplicación. Fuente: Elaboración propia.

Después de incorporar las recomendaciones, se llevó a cabo la validación externa. Tres médicos fueron invitados a probar la funcionalidad de la aplicación que denominamos Telejampiq y darnos retroalimentación para mejorar la aplicación.

Los profesionales invitados jugaron el rol de médicos visitantes que hacían una primera entrevista al paciente. No se entregó el manual de uso de la aplicación con la intención de evaluar qué tan intuitiva era la interface del software desarrollado. Los hallazgos se muestran en la tabla 3.

Evaluador 1 • • • •

Considerar que el médico puede registrar más de un diagnóstico y tratamiento. Arreglar el resultado del cálculo automático del índice de masa corporal (IMC) de acuerdo a fórmula. Incorporar la posibilidad de colocar cifras de precisión decimales para la temperatura y talla (según diccionario de datos). En la sección Examen Físico, se sugiere añadir una columna «conservado» y que todas las opciones que incluya ya aparezcan marcadas por defecto. • Distribuir el tratamiento en formato de dosificación. Evaluador 2 • • • • •

Es recomendable incluir filtros por provincia, departamento, ubigeo y otros. Un error de aplicación se detectó al dejar en blanco el campo de historia clínica. La aplicación debe mostrar un mensaje de advertencia. Se sugiere que la aplicación ofrezca la posibilidad de añadir más de un antecedente del paciente en cualquier etapa de la entrevista. Se debería poder ingresar más de un medicamento. Es recomendable separar la cantidad de la dosis del nombre del medicamento.

Evaluador 3 • Se sugiere que se incremente el tamaño de las letras del menú de inicio. • El rendimiento es bajo. Se pierde conexión a la red 3G. • El formulario es muy largo. Esto limita la interacción con el paciente. Normalmente el médico requiere mayor tiempo de atención con un paciente de cuidado paliativo. • Ofrecer la opción de añadir más de un antecedente. • Se sugiere facilitar el ingreso de medicamentos. • Los menús desplegables tardan mucho en aparecer. • La historia clínica podría ir después del diagnóstico para seguir un orden lógico. • Añadir un campo de enfermedades frecuentes. Tabla 3. Validación externa de la aplicación. Fuente: Elaboración propia.

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En la fase 4, se implementó el prototipo funcional de la aplicación durante 30 días en la ciudad de Piura con 10 pacientes en cuidado paliativo, el 70 % de ellos con cáncer terminal. Dichos pacientes están en sus domicilios y son atendidos por personal de salud pública conformado por médicos, enfermeras, psicólogos y técnicas de enfermería. Dos médicos del equipo del proyecto viajaron en turnos a la ciudad de Piura. Entrenaron a los cuidadores y estuvieron presentes en el domicilio de los pacientes para atender las consultas de dichos cuidadores acerca de la aplicación o recolección de datos del pulsoxímetro. En esta etapa, se detectaron problemas en el sistema, originados por el escaso dominio de los cuidadores en el manejo de este dispositivo. Sin embargo, hubo el acuerdo de los cuidadores de usar el equipo y el sistema para monitorear a sus pacientes. Asimismo, se convino con el personal de salud que visitara a los enfermos semanalmente. El compromiso del personal de salud y cuidadores contribuyó a la mejora de la calidad de vida del paciente. El sistema permitió que ambos pudieran interactuar con mayor fluidez, además de brindar un soporte educativo a través de los videotutoriales de cuidado paliativo. Los testimonios de los cuidadores reflejan la aceptación que tuvo el sistema de telemedicina: «Me gusta utilizar este sistema porque siento que los doctores están en mayor contacto con nosotros, no solo durante las visitas presenciales». «Voy a ir aprendiendo poco a poco a usar el sistema, es bueno usar dispositivos tecnológicos para el beneficio de la salud». «Los videos educativos se ven muy interesantes, he aprendido acerca del cuidado que debo tener con mi familiar». La figura 4 muestra el dispositivo implementado en uno de los casos.

CONCLUSIONES

• En este artículo hemos descrito un proyecto de dos años realizado por un equipo de médicos e ingenieros pertenecientes a dos universidades. El piloto de implementación del proyecto en la ciudad de Piura ofreció solución de telemedicina para los pacientes en cuidado paliativo, sus cuidadores o técnicas de enfermería y médicos. • Asimismo, es importante seleccionar la tecnología adecuada. Los pacientes en cuidado paliativo tienen necesidades de monitoreo que no deberían afectar negativamente su calidad de vida. Un sensor recomendable es el pulsoxímetro. En una implementación de un sistema de cuidado paliativo, debemos escoger cuidadosamente la tecnología a utilizar en los sensores médicos y en las tablets, porque no debería ser tan sofisticada para que pueda ser utilizada en la práctica diaria por el médico general o especialista. Elegimos una tecnología accesible de telefonía móvil 3G, pulsoxímetro, tablets y conexión a Internet, en vez de tecnología de videoconferencia compatible con HIPAA. Por razones de facilidad de uso y precio, se usó una tablet de 8 pulgadas para facilitar la manipulación al cuidador, y para que el plan de datos se use eficientemente, se evitó la instalación de aplicaciones que reduzcan el rendimiento. Durante el piloto, nos dimos cuenta de que la batería de la tablet solo duraba de 6 a 8 horas de modo que era necesario recargarla. • Es importante diseñar interfaces amigables con el usuario que permitan utilizar con facilidad la tecnología. Las características deseables identificadas para una aplicación de ese tipo fueron: registro de escala del dolor, registro de síntomas, registro de funcionalidad del paciente, seguimiento de tratamiento, reporte de la evolución de escaras.

Figura 4. Dispositivo implementado en casa de uno de los pacientes. Fuente: Elaboración propia.

• Otro hallazgo fue que los cuidadores preferían videos de instrucción protagonizados por personajes animados y no por seres humanos. • Nuestro trabajo aporta a la comunidad científica al mostrar una implementación de un sistema de telemedicina en un país en vías de desarrollo, donde hay poco personal con experiencia en la especialidad de cuidados paliativos y los presupuestos de salud pública son limitados. • La falta de entrenamiento y concientización es uno de los mayores obstáculos a programas que buscan mejorar el acceso a la salud de los pacientes en cuidado paliativo y, a nivel latinoamericano, existen pocos grupos de médicos dedicados a esta especialidad.

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ACERCA DE LOS AUTORES Juan Carlos Bueno Villanueva

Contribuyó al proyecto como asesor de la parte metodológica durante el desarrollo de la investigación. jvaldivias@utec.edu.pe Anthony Aróstegui

Docente asociado e investigador de la Universidad de Ingeniería y Tecnología (UTEC). Ingeniero de sistemas por la Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas (UPC) y Magíster en Dirección y Tecnologías de Información por la Universidad ESAN.

Estudiante del último ciclo de Ingeniería Industrial de la Universidad de Ingeniería y Tecnología (UTEC). Participante en varios proyectos de desarrollo de software. Contribuyó al proyecto con el desarrollo del software.

Contribuyó al proyecto como coordinador por el equipo de UTEC y como miembro del equipo de investigadores. Participó en la concepción del sistema de telemedicina.

anthony.arostegui@utec.edu.pe Bregy Malpartida

jbueno@utec.edu.pe Jaime Moshe Farfán Madariaga

Estudiante de la carrera de Electrónica en la Universidad de Ingeniería y Tecnología (UTEC).

Docente e investigador. Maestría en Dirección Estratégica en Tecnologías de Información por la Universidad de Piura, e ingeniero de sistemas por la Universidad Católica Santa María, Arequipa. Especialista en áreas de programación y base de datos. Desde el 2004 es docente y ha sido coordinador de la carrera de Diseño de Software e Integración de Sistemas en Tecsup Sede Centro.

Participante en varios proyectos de innovación tecnológica. Contribuyó al proyecto en la implementación del hardware del sistema de telemedicina.

Contribuyó al proyecto como miembro del equipo de investigadores. Supervisó el desarrollo del software.

Ingeniero industrial por la Universidad de Ingeniería UNI, Maestría en Dirección de Empresas por la Universidad de Piura. Trabaja en la Universidad Peruana Cayetano Heredia.

bregy.malpartida@utec.edu.pe Luis Enrique Peña Mendoza

jfarfan@tecsup.edu.pe José Gaspar de la Puente Maldonado

Contribuyó al proyecto como miembro del equipo. luis.penha@upch.pe

Docente a tiempo completo en la Universidad de Ingeniería y Tecnología (UTEC). Ingeniero mecánico por la Pontificia Universidad Católica del Perú. Maestría de Economía de la Universidad del Pacífico. Participante del Programa Doctoral en Dirección de Organizaciones del PAD. Escuela de Dirección de la Universidad de Piura. Contribuyó al proyecto como miembro del equipo de investigadores.

César Arce Zárate Docente en Tecsup Sede Centro, ingeniero de Sistemas por la UPC. Participación en proyectos tecnológicos. Contribuyó al proyecto en la supervisión del diseño del hardware del sistema de telemedicina. carce@tecsup.edu.pe

jdelapuente@utec.edu.pe Julio Ernesto Valdivia Silva Director de la carrera de Bioingeniería de la Universidad de Ingeniería y Tecnología (UTEC). Médico cirujano graduado en la Universidad Nacional San Agustín, Arequipa, Perú. Fundador del Grupo de Investigación en Inmunología, la Academia Peruana de Medicina Molecular y la Sociedad Científica de Astrobiología del Perú, la cual preside. Tiene doctorados en el Instituto de Ciencias Nucleares Universidad Nacional de México (UNAM) por el Programa de Astrobiología de la NASA (Ames Research Center) para estudios microbiológicos en análogos a Marte, y en el Instituto de Investigaciones Biomédicas (UNAM), donde realiza estudios en biología molecular e inmunología del cáncer.

Jose Enrique Pérez-Lu Médico, magíster en Investigación Epidemiológica, doctor en Salud Pública. Investigador con afiliación a la Universidad Peruana Cayetano Heredia. Actualmente, se desempeña como director general de la Oficina de General de Tecnologías de la Información del Ministerio de Salud de Perú. Contribuyó al proyecto como miembro del equipo de investigadores. Participó en la concepción del sistema de telemedicina desde el punto de vista médico. Fue coordinador general del proyecto. jose.perez.l@upch.pe

Miguel Egoavil

Miguel Alonso Pinazo-Vidal

Médico, egresado de la maestría en Informática Biomédica en Salud Global de la Universidad Peruana Cayetano Heredia. Coordinador de la Unidad de Informática Biomédica en Salud Global - Facultad de Salud Pública y Administración, investigador y coordinador de proyectos de investigación en Informática Biomédica.

Médico, estudiante de la maestría en Informática Biomédica en Salud Global de la Universidad Peruana Cayetano Heredia.

Contribuyó al proyecto como miembro del equipo de investigadores. Participó en la concepción del sistema de telemedicina desde el punto de vista médico. miguel.egoavil@upch.pe Daniel Flavio Condor Enfermero, egresado de la maestría en Informática Biomédica en Salud Global de la Universidad Peruana Cayetano Heredia. Investigador de la Unidad de Informática Biomédica en Salud Global - Facultad de Salud Pública y Administración. Coordinador de proyectos de investigación en Informática Biomédica. Coordinador de Comunicación de la Red Internacional de Enfermería Informática. Contribuyó al proyecto como miembro del equipo de investigadores. Participó en la concepción del sistema de telemedicina desde el punto de vista del profesional de la salud. daniel.condor.c@upch.pe

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Contribuyó al proyecto como miembro del equipo de implementación y pruebas con pacientes. Participó en la validación del aplicativo. miguel.pinazo@upch.pe Juan Manuel Quezada Ingeniero electrónico, estudiante de la maestría en Informática Biomédica en Salud Global de la Universidad Peruana Cayetano Heredia. Contribuyó al proyecto como miembro del equipo de implementación y pruebas con pacientes. Participó en la concepción del sistema de telemedicina y la validación del aplicativo. juan.quezada.c@upch.pe

AGRADECIMIENTOS

Al Programa Innovate Perú del Ministerio de la Producción, el cual brindó fondos al proyecto.

Se presenta el diseĂąo un controlador neurodifuso que posibilita el uso de conocimiento de usuario experto con la adaptabilidad y capacidad de aprendizaje de las redes neuronales.

Luis Enciso Salas, PUCP / Miguel Ángel Chávez Luna, Tecsup

Control neurodifuso de un péndulo invertido rotacional Neuro Fuzzy Control for an Inverted Rotational Pendulum

RESUMEN

ABSTRACT

En este artículo, se presenta el diseño de un controlador neurodifuso para el péndulo invertido rotacional, el cual integra las ventajas del conocimiento de un usuario experto, con las habilidades adaptativas de una red neuronal.

This article describes the design of a fuzzy controller for an inverted rotational pendulum, which adds the advantages of the knowledge of an experimented user and the adaptive capabilities of neural networks.

El sistema es diseñado para el control de los dos grados de libertad del péndulo, es decir, ángulo del péndulo y ángulo de la plataforma. Este péndulo invertido rotacional, al ser un sistema subactuado, está controlado únicamente por un motor DC a su vez conectado a un microcontrolador Arduino.

The system is designed for two degrees control of the rotational pendulum, i.e. angle of the pendulum and angle of the platform; this rotational inverted pendulum, being a sub-acting system, is controlled only by a DC motor which is in turn connected to an Arduino microcontroller.

Para lograr el control, fue implementado un sistema neurodifuso, compuesto por dos módulos que usan las cuatro principales variables del sistema (los dos ángulos y sus variaciones), para luego ser éste entrenado usando aprendizaje por método híbrido. Para complementar el controlador, se unió este con un método de amoldamiento de energía para realizar el «swing-up» (balanceo vertical) del péndulo.

To achieve the control, it was implemented a two‑module neuro‑fuzzy system using the 4 main variables of the system (two angles and their variations) and then trained using hybrid learning. To complement the controller, it was coupled with an energy shaping method to swing up the pendulum.

El controlador fue implementado y comparado con un regulador lineal cuadrático tradicional (LQR), demostrando tener un desempeño similar a este último. La ventaja principal radica en la fácil adaptación del controlador ante variaciones del sistema.

The controller was implemented and compared with a traditional linear quadratic regulator (LQR) controller showing similar performance. The main advantage of the new controller is its adaptation to system variations.

Palabras clave Péndulo invertido rotacional, controlador neurodifuso, aprendizaje híbrido, LQR.

Key words Rotational inverted pendulum, neuro-fuzzy controller, hybrid learning, LQR.

VOLUMEN 12, 2018

INTRODUCCIÓN

el cual rota libremente en la dirección vertical, el ángulo de este brazo con la vertical es denominado θ.

El péndulo invertido es un sistema demostrativo clásico para la implementación de técnicas de control avanzado y no-lineal que es apreciado en muchas aplicaciones de la vida real [2]. El sistema está compuesto por una base móvil que provee de energía cinética al péndulo y el péndulo en sí mismo. El péndulo Furuta o rotacional [3] es un sistema subactuado de dos grados de libertad donde la actuación es manejada por un brazo o plataforma que rota en la dirección horizontal en una manera análoga al clásico sistema carro-barra (cart-pole), aunque con una arquitectura más compacta. El sistema presenta un desafío para la ejecución de un seguimiento debido a su naturaleza subactuada y a su dinámica compleja, es decir, presenta una dinámica mucho más compleja que la de un sistema cart-pole [2]. Sin embargo, este es un sistema compacto que hereda sus principales características del cart-pole. El interés de tales sistemas puede ser principalmente apreciado en la robótica para el control del movimiento en brazos y piernas [9]. En este artículo, se presenta el diseño del controlador neurodifuso que posibilita el uso de conocimiento de usuario experto con la adaptabilidad y capacidad de aprendizaje de las redes neuronales [5]. En comparación con otras técnicas de control utilizadas frecuentemente en este mecanismo, tales como los controladores PID [7] o el controlador por regímenes deslizantes [4], que pueden ser complicados de sintonizar para la estabilización de ambos ejes, el controlador neurodifuso es capaz de efectuar la tarea de estabilización incluso sin entrenamiento previo y para diferentes mecanismos, pues no requiere de un modelo del sistema para su implementación. Contrariamente a un controlador neuronal [6], este puede basarse además en la inferencia lógica. Por otra parte, la implementación de estructuras neurodifusas tradicionales, como el ANFIS [1], pueden resultar muy complejas. Hemos integrado nuestro controlador con un algoritmo de amoldamiento de energía [9], y luego realizado un análisis comparativo con un regulador lineal cuadrático óptimo [8]. El objetivo de este procedimiento fue el de ilustrar la implementación pedagógica de controladores neuronales adaptativos en el laboratorio de control avanzado del Instituto Superior Tecnológico Tecsup. El articulo está dividido en las siguientes secciones: primero, explicaremos el modelado del sistema y establecemos el algoritmo de amoldamiento de energía a usar para el balanceo vertical del péndulo a la posición vertical; luego, describiremos la metodología usada para implementar el sistema neurodifuso y el proceso de entrenamiento, así como los detalles de su diseño; también, mostraremos el sistema simulado e implementado, finalmente se presentan las conclusiones obtenidas. FUNDAMENTOS La estructura mecánica del péndulo rotacional es representada en la figura 1, el torque (τ) es aplicado al brazo horizontal. Este se moverá positivamente en la dirección horaria, generando un ángulo β con respecto al origen. El segundo brazo es el péndulo, 28

Figura 1. Estructura mecánica del péndulo Furuta. Fuente: Elaboración propia.

Las variables de estado del sistema elegidos son el ángulo de la base (β) y el péndulo (θ) denominando así:

La dinámica del sistema en forma de Euler-Lagrange es la siguiente: (1) Donde las matrices son dadas como:

Para realizar el balanceo vertical del péndulo, el sistema usa el algoritmo de amoldamiento de energía que ha sido propuesto en [9]. La energía total del sistema es:

Donde Ek la energía cinética y Ep la energía potencial. La primera es generada por la base y transmitida al péndulo, y se describe en la ecuación (2), mientras que la energía potencial es identificada únicamente por el ángulo del péndulo en (3). (2)

(3)

La energía deseada del sistema en la posición debe ser energía potencial pura. Para ello, se define la diferencial de energía como: (4) El comando por amoldamiento de energía [3] se extrae de la evaluación de la función de Lyapunov en (5) propuesta en [9].

(5)

La solución para (4) con la función de Lyapunov presentada antes permite encontrar la ley de control en (6): (6) Figura 2. Estructura de ANFIS. Fuente: Adaptado de [5].

METODOLOGÍA

B. Parte difusa del controlador

Diseño del controlador neurodifuso El controlador es compuesto por una serie de acciones coordinadas por un árbitro, las cuales son implementadas a través de redes neurodifusas basadas en la estructura ANFIS [5]. En esta sección, la estructura ANFIS es presentada en A; el diseño del sistema de control, en B; y el procedimiento de entrenamiento, en C. A. Redes ANFIS Un esquema de red neurodifuso es usado para implementar la lógica de los comandos. La estructura empleada es adaptada de [5] y es presentada en la figura 2. Se compone como sigue. Capa 1: Neuronas implementando las funciones de pertenencia: (7) Capa 2: Nodos producto, que calculan la componente para cada regla: (8)

El controlador se diseñó para el control de la inclinación del péndulo y del brazo horizontal. Para el control de ambas dinámicas, necesitamos considerar todos los estados. Ello, infortunadamente, podría requerir muchas reglas debido a todas las posibles combinaciones entre las cuatro variables [1], haciendo así el diseño muy tedioso. Para evitar ello, se realizó la separación del controlador en dos módulos. El primer módulo da la corrección para la dinámica de los ángulos (θ, β); mientras que el segundo módulo, para la dinámica de las velocidades ( , ). Cada uno es conformado por un sistema con tres funciones de pertenencia por entrada y nueve reglas de inferencia. Comparado con el método clásico de considerar la forma PD en la inferencia difusa (e.g. y como entradas), la estrategia usada permite acoplar mejor las acciones y por ello la fusión de ambos módulos puede realizarse con una simple adición (Figura 3). Se puede decir que el primer módulo genera la acción de corrección para el estado presente y el segundo módulo la acción para la predicción. βd

Capa 3: Capa de normalización:

θd

(9)

Capa 4: Nodos adaptativos para generar la consecuencia de cada regla:

Módulo 1 μ1 Neurodifuso

(10) Capa 5: Suma de señales de-difusificadas para obtener la salida de la red:

Péndulo rotacional

Módulo 2 μ2 Neurodifuso

θ β . β. θ

(11) Figura 3. El diseño del controlador neurodifuso. Fuente: Elaboración propia.

VOLUMEN 12, 2018

Se elaboraron las siguientes reglas de inferencia para el módulo 1: Si θ es NE y β es NE, entonces μ1 es NE. Si θ es NE y β es CE, entonces μ1 es NE. Si θ es NE y β es PO, entonces μ1 es PO. Si θ es CE y β es NE, entonces μ1 es NE. Si θ es CE y β es CE, entonces μ1 es CE. Si θ es CE y β es PO, entonces μ1 es PO. Si θ es PO y β es NE, entonces μ1 es NE. Si θ es PO y β es CE, entonces μ1 es PO. Si θ es PO y β es PO, entonces μ1 es PO.

RESULTADOS

Y las siguientes reglas de inferencia para el módulo 2: es NE, entonces μ2 es NE. es CE, entonces μ2 es NE. es PO, entonces μ2 es PO. es NE, entonces μ2 es CE. es CE, entonces μ2 es CE. es PO, entonces μ2 es CE. es NE, entonces μ2 es NE. es CE, entonces μ2 es PO. es PO, entonces μ2 es PO.

[rad]

Base angle 2pi pi 0

Response Ref

[rad]

C. Entrenamiento

[rad/s] [rad]

Donde los variables lingüísticas son las siguientes: Negativo (NE), Cero (CE) y Positivo (PO).

Base angle 2pi pi 0

(12) (13) Para el caso de los pesos en la capa 2 de nuestra red, la ecuación DBP es obtenida usando las derivadas dadas en la ecuación (14).

(14)

Donde A es la matriz que relaciona w con la salida en la capa 5 y b son los errores retropropagados hasta esta misma capa (por cada iteración).

[rad/s] [rad]

Pendulum angle 2pipi 0

2pipi0

d(Pendulum angle)/dt 0

d(Base angle)/dt

2pipi0

Figura 4. Simulación por el controlador neuro difuso sin entrenamiento. Fuente: Elaboración propia. 0

2pipi 0

Base angle 2pi pi 0

[rad/s] [rad]

15 Response Ref

2pipi0

Pendulum angle 2pipi 0

2pipi0

d(Pendulum angle)/dt 0

d(Base angle)/dt 0

[rad/s]

d(Base angle)/dt

2pipi0

d(Pendulum angle)/dt 2pipi0

El entrenamiento se puede realizar para ambos módulos al mismo tiempo, usando el mismo procedimiento anterior, pero

angle)/dt usando el proceso de Una mejora adicional esd(Pendulum conseguida entrenamiento hibrido para la red. La respuesta para este caso Base angle 2pipi0 se muestra en la figura 5. Esta última respuesta muestra la 2pi pi mejora Además, la 0 0 de la estabilidad 5y rapidez del sistema. 10 Response en 15 Ref la masa, figura 6 se presenta el desempeño ante variaciones en 0 5 10 pues requiere un 15 test que no puede ser replicado con LQR, Pendulum angle rediseño de sus ganancias.

[rad/s]

(15)

15 Response Ref

2pipi0

La adaptación en la capa 5 es más simple, pero nosotros preferimos el método híbrido de entrenamiento, debido a su mayor rapidez de convergencia [5]. El algoritmo de mínimos cuadrados es, por tanto, configurado según (15).

d(Base angle)/dt

[rad/s]

El algoritmo DBP es gobernado por el cálculo de la variación en la función de costo usando la ecuación (12) para el caso de los pesos ν, donde la recursividad se complementa usando la ecuación (13) como valor inicial.

[rad] [rad/s]

El entrenamiento de la red es realizado usando el algoritmo de propagación dinámica en retroceso (Dynamic back-propagation o DBP). Por ello, las siguientes se hacen las adaptaciones en las capas 1 y 4 de la red.

2pipi 0

Pendulum angle

[rad]

es NE y es NE y es NE y es CE y es CE y es CE y es PO y es PO y es PO y

Para validar el diseño, una simulación fue realizada con los siguientes valores: m1 = 0.1 kg, Lo = 0.05 m., l1 = 0.1 m, Io = 6x10-5 kg.m2, J1 = 4x10-5 kg.m2. La posición inicial para estos ensayos es θ = 2.5π/3 y β = -π/2. Para iniciar el proceso, la base de reglas del sistema de inferencia y una configuración básica son configuradas tal que estabilicen el sistema. La respuesta a esta configuración inicial se ilustra en la figura 4. El sistema converge al ángulo deseado, aunque presenta una oscilación apreciable en la base del ángulo.

[rad/s] [rad]

Si Si Si Si Si Si Si Si Si

con las matrices aumentadas correspondientemente para la consideración de ambos sistemas.

Figura 5. Simulación por el controlador neuro difuso con entrenamiento. Fuente: Elaboración propia.

4 44 m = 0.5Kg m m= = 0.5Kg 0.5Kg m = 0.2Kg m m= = 0.2Kg 0.2Kg m = 0.1Kg m m= = 0.1Kg 0.1Kg

2pi 2pi 2pi pi pi pi 0 00

0 00

5 55

10 10 10

15 15 15

Ángulo del péndulo [rad] Ángulo del péndulo [rad] Ángulo del péndulo [rad]

[rad] [rad] [rad]

Base angle Base Base angle angle

0 00 -2 -2 -2 -4 -4 -4

Pendulum angle Pendulum Pendulum angle angle pi pi pi 0 00

LQR LQR LQR Neurodifuso Neurodifuso Neurodifuso

2 22

0 00

2 22

4 44

6 66

Tiempo [s] Tiempo Tiempo [s] [s]

8 88

10 10 10

12 12 12

14 14 14

10 10 10

15 15 15

Figura 6. Simulación por el controlador neuro difuso con diferentes masas del péndulo. Fuente: Elaboración propia.

Para validar el trabajo, se realizó la implementación usando un péndulo invertido rotacional (Figura 7). El actuador es un motor DC que opera la plataforma rotativa. Se dispone también de dos encoders para la medición de los ángulos, los algoritmos se implementaron en un microcontrolador Arduino, donde se programaron el LQR [8] y el controlador propuesto, el cual fue entrenado previamente fuera de línea. Los resultados del sistema para la estabilización se muestran en la figura 8. Además, una comparación adicional para el caso de seguimiento es presentado en la figura 9, donde se usa la señal de test sin(t) - 0.2 sin(4t). Cuando el controlador neurodifuso es empleado, se tiene una dinámica más variante, pero una mayor velocidad de convergencia.

Ángulo del péndulo [rad] Ángulo del péndulo [rad] Ángulo del péndulo [rad]

5 55

LQR LQR LQR Neurodifuso Neurodifuso Neurodifuso

1 11 0 00 -1 -1 -1

0 00

2 22

4 44

6 66

Tiempo [s] Tiempo Tiempo [s] [s]

8 88

10 10 10

12 12 12

14 14 14

Figura 8. Balanceo vertical del péndulo. Fuente: Elaboración propia.

Ángulo del pendulo [rad] Ángulo del pendulo [rad] Ángulo del pendulo [rad]

0 00

Ángulo dede [rad] Ángulo de lalaplataforma [rad] Ángulo laplataforma plataforma [rad]

[rad] [rad] [rad]

2 22

4 44 LQR LQR LQR Neurodifuso Neurodifuso Neurodifuso

2 22 0 00 -2 -2 -2 -4 -4 -4 0 00

5 55

10 10 10

15 15 15

20 20 20

25 25 25

Tiempo [s] Tiempo Tiempo [s] [s]

30 30 30

35 35 35

40 40 40

45 45 45

50 50 50

4 44 LQR LQR LQR Neurodifuso Neurodifuso Neurodifuso Referencia Referencia Referencia

2 22 0 00 -2 -2 -2 0 00

5 55

10 10 10

15 15 15

20 20 20

25 25 25

Tiempo [s] Tiempo Tiempo [s] [s]

30 30 30

35 35 35

40 40 40

45 45 45

50 50 50

Figura 9. Ensayo de seguimiento con ambos controladores, rojo: LQR, azul: red neurodifusa. Fuente: Elaboración propia.

CONCLUSIONES

• El controlador neurodifuso fue implementado y demostrado satisfactoriamente en el péndulo invertido rotacional. Pudimos comprobar el buen desempeño de este controlador, pues puede ser comparado a la implementación de un LQR en términos de rapidez y estado transitorio. • El controlador diseñado tiene como principales ventajas su fácil diseño, ya que se basa en reglas lógicas simples. Su capacidad adaptativa es mayor, pues puede ser entrenado, y mantiene su aplicabilidad aun ante variaciones grandes en los parámetros del sistema, como la masa del péndulo sin la necesidad de un rediseño. Figura 7. Péndulo invertido rotacional. Fuente: Elaboración propia.

VOLUMEN 12, 2018

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ACERCA DE LOS AUTORES

Luis Enciso Salas Graduado con honores como bachiller en Ingeniería Electrónica. Es magíster en Control y Automatización en la Pontificia Universidad Católica del Perú y en Sistemas Espaciales en ISAE-SUPAERO (Francia). Con experiencia en la industria de la automatización y desarrollando actividades en docencia e investigación. lenciso@pucp.pe Miguel Angel Chávez Luna Profesional en Electrónica y Sistemas Computarizados por Tecsup. Bachiller en Ingeniería Industrial por la Universidad Antonio Ruiz de Montoya. Ha realizado especializaciones en Adquisición de Datos y Control por Computadora en EE. UU., Ingeniería Mecatrónica en México y Brasil, y Sistemas de Automatización en Alemania. Posee certificación Train the Trainer dada por Bosch Rexroth de Alemania en Sistemas de Automatización e Industria 4.0. Miembro de IEEE en la sección de Robótica y Automatización. Profesor a tiempo completo en Tecsup, dicta cursos de Automatización Industrial y Sistemas Mecatrónicos. mchavez@tecsup.edu.pe

paep

Programas de Alta Especialización Profesional

Los PAEP están dirigidos a profesionales que buscan complementar su formación para ser líderes en distintas áreas dentro de las empresas.

Beneficios

Pertenecer a la red de especialistas en ingeniería y tecnología

Programas de Alta Especialización Profesional Docentes expertos nacionales y extranjeros

Networking con profesionales de diversos sectores

Sesiones prácticas con desarrollo de casos y proyectos

Los PAEP están dirigidos a profesionales que buscan complementar su formación para ser líderes en distintas áreas dentro de las empresas.

TRUJILLO

LIMA

AREQUIPA

Beneficios

tecsup.edu.pe

Se establece un procedimiento prรกctico para el desarrollo y la puesta en marcha de controladores avanzados para procesos de nivel, desde su concepciรณn, desarrollo inicial en simulaciรณn, hasta su implementaciรณn prรกctica.

Julio Mosaja, Tecsup / Oswaldo Moreno, Tecsup / Andrés Morocco, Tecsup / Hernando Prada, Tecsup

Modelado borroso de tipo Takagi Sugeno y control predictivo de una planta de nivel Takagi Sugeno type Fuzzy Modeling and Predictive Control of a Level Plant

RESUMEN

En la presente investigación, se desarrolló el modelado de una planta de nivel usando sistemas de inferencia borrosa de tipo Takagi Sugeno, así como su control empleando un control predictivo discreto basado en modelos (CPDBM). En el proceso de modelado, se demostró la utilidad de los sistemas de inferencia borrosa de tipo Takagi Sugeno al construir modelos que reproduzcan el comportamiento no lineal de plantas en un amplio rango de operación. Varios submodelos del proceso se obtuvieron mediante la estimación de parámetros de modelos físicos usando el estimador de máxima verosimilitud. Basado en esta información, se diseñó un control predictivo discreto basado en modelo (CPDBM) y se realizó su sintonización en Simulink®. La implementación práctica fue llevada a cabo usando un controlador de la familia LogiX de Allen Bradley®, en el cual se programaron las funciones necesarias para implementar el CPDBM. Los resultados experimentales demuestran un superior desempeño de esta estrategia con respecto a un controlador clásico PID en cuanto a reducción del tiempo de asentamiento y sobreimpulso máximo, mejor filtrado del ruido en la señal de control y comportamiento uniforme sobre un gran rango de operación.

ABSTRACT

This research develops the modeling of a level plant using fuzzy inference systems of Takagi Sugeno type, as well as its control using a Discrete Model Predictive Control (DMPC). In the modeling process, the usefulness of Takagi Sugeno fuzzy inference systems has been demonstrated when constructing models reproducing the nonlinear behavior of plants in a wide range of operation. The sub-models of the process were obtained by estimating parameters using an estimator of maximum verisimilitude. Then, based on this information, a Discrete Model Predictive Control (DMPC) was designed, and afterwards, the tuning was made with Simulink®. The practical implementation was carried out using a LogiX family Allen Bradley® controller, in which the necessary functions were programmed to implement the DMPC. The experimental results show a superior performance of this strategy compared to a classic PID controller in terms of reduction of settling time, maximum overshoot, better filtering of noise in the control signal, as well as a uniform behavior over a wide range of operation.

Palabras clave Modelamiento difuso Takagi Sugeno, control predictivo discreto basado en modelos, planta de nivel, controlador lógico programable.

Key words Takagi Sugeno Fuzzy Modeling, Model-Based Discrete Predictive Control, Level Plant, Programmable Logic Controller.

VOLUMEN 12, 2018

INTRODUCCIÓN

El desarrollo tecnológico en el campo de la automatización y control de procesos ha traído consigo la factibilidad de implementación de nuevas estrategias de control avanzadas, con el fin de optimizar el desempeño de los lazos de control ya existentes en la industria. Dentro de estos, sin duda alguna, el control de nivel es el más extendido en industrias, tales como la petroquímica, el tratamiento de aguas residuales, la fabricación de alimentos y bebidas, el sector farmacéutico, los bioprocesos y entre otros. El control de nivel se torna sumamente importante en procesos donde la uniformidad del producto final depende del control fino de niveles, como, por ejemplo, en procesos de mezclado [1]. Normalmente, estos sistemas son regulados por estrategias convencionales. Así, tenemos que, dentro de las aplicaciones de control para este tipo de procesos, más del 95 % de los controladores son de tipo PI o PID [2]. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, es común encontrar que este controlador posee un desempeño variable debido a las fuertes no linealidades introducidas por los actuadores y los componentes de los procesos debido a que este tipo de controlador lineal es válido para pequeños rangos de operación dentro de su zona de linealización. Es más, su estabilidad se ve fuertemente condicionada ante cambios paramétricos, introducción de tiempos de retardo y perturbaciones [3] [17]. Abordando esta problemática, algunos autores han demostrado que se puede mejorar el desempeño de este controlador incluyéndola dentro de la técnica de ganancia programada [21] [8]. Otros autores recomiendan la aplicación de controladores avanzados, como el control predictivo basado en modelos (CPBM) para procesos de nivel donde existen fuertes no linealidades [7]. Este ha demostrado una gran capacidad de estabilización y robustez ante incertidumbres en procesos con comportamiento dinámico complejo [15]. Esta es la razón de por qué el control predictivo es la técnica de control avanzado más usada en la industria química y petroquímica [9], con aplicaciones emergentes en el sector minero [16], producción de pulpa y papel, bioprocesos, producción farmacéutica, alimentos y bebidas [6]. Para implementar esta estrategia de control, usualmente, se necesita una buena descripción matemática de la planta, que, en muchos casos, solo se consigue mediante la aplicación técnicas de identificación no paramétricas, las cuales describen al proceso en un pequeño rango lineal. Un controlador avanzado diseñado con tal información limitada del proceso puede mostrar en la realidad un comportamiento muy diferente al de lo previsto por las simulaciones o inclusive llegar a la inestabilidad [10]. Una idea para ampliar el rango de validez del modelo es usar descripciones matemáticas locales de la planta para construir un modelo global. Existen muchas formas de integrar estos modelos, pero la más comprensible y transparente al diseñador es el enfoque difuso Takagi Sugeno [18]. La idea detrás de este enfoque es expresar el comportamiento local del proceso a través de las implicaciones de las reglas, las cuales pueden ser integradas estableciendo conjuntos de pertenencia. Este enfoque es altamente práctico y además, está demostrado que los modelos difusos son aproximadores universales de cualquier sistema no lineal continuo [4]. 36

Uno de los objetivos de este artículo es establecer un procedimiento práctico para el desarrollo y la puesta en marcha de controladores avanzados para procesos de nivel desde su concepción, desarrollo inicial en simulación, hasta su implementación práctica. Para esto se propone usar el enfoque difuso Takagi-Sugeno para el desarrollo de un modelo de alta resolución del proceso, el cual será útil a la hora de diseñar el CPBM y asegurar su estabilidad en campo. Otro objetivo importante es demostrar la factibilidad de implementar estrategias de control avanzadas sobre controladores lógicos programables (PLC) industriales, ya que a pesar de que se han reportado aplicaciones tanto a nivel industrial como de instituciones de investigación, el control de modelo predictivo aún no ha alcanzado en la industria la popularidad que su potencial sugiere [5]. Finalmente, se implementan el algoritmo CPDBM y PID en el proceso bajo estudio. Los resultados de ambas técnicas son comparados para, de esta manera, mostrar las mejoras que se pueden conseguir con la técnica aquí desarrollada.

FUNDAMENTOS Descripción del proceso El proceso usado para implementar las técnicas de modelado y control predictivo fue el sistema compacto para control de nivel Lukas Nulle IAC 12, cuyas características técnicas se pueden consultar en [11]. Este puede representarse por el diagrama de la figura 1.

Figura 1. Representación del módulo educativo Lukas Nulle IAC 12. Fuente: Elaboración propia.

El proceso bajo estudio está compuesto de un recipiente de llenado, un transductor de presión (para medir el nivel actual del tanque), un sensor de flujo volumétrico y un reservorio de aprovisionamiento con una bomba incluida. Las variables de perturbación son los porcentajes de apertura de las válvulas en la tubería de alimentación y descarga, las cuales regulan

el caudal de admisión y de evacuación del depósito. En el experimento, se ha considerado como variable de control a la tensión (0 V – 10 V) inyectada a la bomba µ(t) y como única variable de proceso a la tensión (0 V – 10 V), medida por el transductor de presión que determina el nivel del tanque h(t). Las válvulas V1 y V2 fueron ajustadas manualmente al 100 %.

Donde Mij es el conjunto de pertenencia; r, el número de particiones o reglas; y z1k ... ... z pk son las variables de entrada del sistema de inferencia difusa. Las ecuaciones recursivas fi y gi son los subsistemas asociados a cada regla. En general, el modelo difuso Takagi Sugeno global puede ser expresado de la siguiente forma:

Para esta planta, se considera el siguiente modelo [19]:

(3.1) (1.1)

(3.2)

(1.2)

Donde:

Donde As es una constante que representa el área seccional del tanque, los parámetros µ(t) y a(t) son valores que dependen de la geometría del depósito o de las condiciones de operación del sistema. A fin de implementar el CPDBM, se tiene que derivar un modelo discreto de la ecuación (1.1 -2). Para ello, se aproxima la derivada usando el método de Euler, con periodo de muestreo ∆t, es decir:

(4) (5)

Para cualquier instante k, el término Mij (z jk) es el «peso» o grado de pertenencia de z jk en el conjunto difuso Mij.

(2.1) METODOLOGÍA

(2.2)

A fin de conocer el grado de no linealidad del proceso y de establecer el número de submodelos adecuados para el sistema de inferencia, se procedió a obtener la característica estática del proceso (Figura 2) mediante inyección de señales tipo escalón de diferentes magnitudes a la tensión entregada a la bomba Se observa que el proceso, efectivamente, describe una dinámica no lineal; sin embargo, dicho comportamiento podría ser aproximado por submodelos lineales, los cuales serían válidos para ciertos rangos de la variable uk y hk.

Modelado difuso El enfoque usado para obtener un modelo del proceso en un gran rango de operación fue el método propuesto por Takagi Sugeno [18], el cual es descrito por reglas difusas tipo SI ENTONCES los cuales representan dinámicas locales del sistema, de modo que, efectuando combinaciones difusas de los submodelos, se puede recrear el comportamiento de todo el sistema no lineal. Por ejemplo, la regla asociada con el i-ésimo submodelo usando un enfoque discreto, puede ser definida de la siguiente forma:

En el proceso de obtención de los submodelos, se tuvo que estimar los parámetros uk y ak para cada punto de operación. Estos se estimaron a partir de los datos dinámicos obtenidos del experimento de construcción de la curva estática y empleando el estimador de máxima verosimilitud mediante el Toolbox IDEAS [13].

Entonces

10 9 8 7 6 5 4 3 2

data aproximación no lineal

aproximación por submodelos

0 5

5.5

6.5

7.5

8.5

9.5

Figura 2. Característica estática del proceso de nivel. Fuente: Elaboración propia.

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En la tabla 1, se resumen los submodelos obtenidos para cada diferente tensión aplicada a la bomba. Submodelos

Tabla 1. Submodelos desarrollados para diferentes tensiones de entrada. Fuente: Elaboración propia.

Debido a que la tensión inyectada a la bomba uk determina fuertemente el comportamiento dinámico del proceso, esta es escogida como entrada para el sistema de inferencia difusa, de modo que zk = [uk]. Los conjuntos de pertenencia Mi para la tensión aplicada a la bomba uk han sido construidos usando funciones gaussianas y sigmoideas tal como se observa en la figura 3. En su diseño, se consideró el rango de tensión uk a la entrada del sistema en el cual el modelo será válido (5 V – 10 V). Control predictivo

tener un comportamiento complejo y una dinámica difícil [15]. Para implementar esta estrategia de control, usualmente, se necesita una buena descripción matemática de la planta, la cual se usa para predecir el comportamiento futuro de las salidas, información que es usada por el algoritmo para optimizar la trayectoria futura mediante el cálculo de una secuencia de valores futuros de la señal de control. Sin embargo, la mayoría de los modelos usados no están exentos a tener incertidumbres y errores de modelado. Es por esta razón que la mayoría de controladores industriales llevan embebidos una acción integral. Esta funcionalidad también puede ser incorporada al clásico algoritmo CPBM usando el enfoque de espacio de estados usado en [14]. Todas estas funcionalidades como la incorporación de restricciones, la acción integral y la optimización en línea significan un elevado coste computacional [12], causa por la que muchas veces es imposible su implementación en controladores de uso industrial. Sin embargo, existen enfoques que permiten aliviar la carga computacional; por ejemplo: el uso de representaciones locales del modelo en espacio de estados y omitiendo restricciones sobre las variables sin mucha importancia para el proceso, en cuyo caso la solución del algoritmo es cerrada y, por lo tanto, fácilmente implementable sobre cualquier controlador industrial. Algoritmo CPDBM El algoritmo utilizado ha sido adaptado de [20], donde se considera añadir acción integral, a fin de eliminar posibles efectos debido a errores a aproximación y modelado. Se considera inicialmente que los submodelos de la tabla 1 pueden ser llevados a una representación discreta en el espacio de estados, tal que:

El control predictivo es una técnica de control avanzado que ha sido usada con éxito en industrias tales como la petroquímica, la farmacéutica y la producción de alimentos y bebidas desde la década de los ochenta [9]. Su popularidad radica en que esta técnica puede estabilizar procesos caracterizados por

(6.1) (6.2)

1 0.9

MF de submodelo 1 MF de submodelo 2

0.8

MF de submodelo 3 MF de submodelo 4

0.7

MF de submodelo 5 MF de submodelo 6

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 5

5.5

6.5

7.5

Figura 3. Conjuntos de pertenencia para U K . Fuente: Elaboración propia.

8.5

9.5

Donde u(k) es la variable manipulada o variable de entrada; y(k), la salida del proceso; y xm, (k) el vector variable de estado de dimensión n1. Para incorporar la acción integral, debemos obtener la representación aumentada del sistema:

Dado que nuestro sistema es de simple entrada simple salida (SISO), la dimensión de Y es Np y la dimensión de ∆U es Nc. Para tal caso, la optimización de la ecuación 9, con respecto a la variable de entrada ∆U es una expresión fija, de la cual se puede derivar la señal de control: (11)

(7.1) Donde: (7.2)

(12) Donde diseño del CPDBM.

. El triplete A, B y C será usado en el Combinando la ecuación 11 con la ecuación 8:

Optimización Asumiendo que existe un vector Rs, que contiene la información de las referencias, definido por: (8)

(13) El parámetro ∆U contiene las señales de control futuras ∆u(k i), ∆u(k i + 1), ∆u(k i + 2) ..., ∆u(k i + Nc – 1). Sin embargo, solo el primer componente ∆u(k i + 1) de este vector es aplicado en cada instante a la planta, por lo que podemos simplificar (13) de la siguiente forma:

Si r(k i) es la referencia en el instante k y Np, la ventana de optimización u horizonte de predicción, podemos definir la función de coste J como:

(14)

(9) Donde se ha hecho: Donde: es una matriz diagonal de la forma ; y , la «importancia» o peso que se le da a la ley de control ∆U; Nc, el horizonte de control; y el vector Y y ∆U están expresados según las ecuaciones (10.1-2). (10.1) (10.2)

(15.1) (15.2) La estructura de la ecuación 14 es similar al clásico enfoque de realimentación de estados, donde la ganancia de realimentación es K mpc. En la figura 4, se muestra de forma resumida la estructura del controlador predictivo discreto (CPDBM) con acción integral.

Figura 4. Diagrama de bloques del sistema de control predictivo discreto (DMPC). Fuente: [20].

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RESULTADOS Modelamiento La figura 5 muestra la implementación del modelo difuso TakagiSugeno de las ecuaciones 3.1 y 3.2 en Matlab/Simulink. En la figura 6, se muestra la evaluación del desempeño del modelo propuesto.

Es evidente que el modelo encontrado puede reproducir con suficiente exactitud la dinámica real del proceso. El criterio de evaluación del modelo (fit) fue la raíz del error cuadrático medio normalizado (NRMSE, por sus siglas en inglés). Se evidencia también que la dinámica real del sistema incorpora pequeños tiempos muertos en puntos cercanos a u = 5V, lo cuales por simpleza no fueron considerados en el modelo inicial. Sin embargo, el modelo es capaz de reproducir de forma aceptable la mayor parte de la dinámica principal del proceso.

1 0.9

MF de submodelo 1

0.8

MF de submodelo 3

0.7

MF de submodelo 5

MF de submodelo 2

MF de submodelo 4

MF de submodelo 6

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 5

5.5

6.5

7.5

8.5

9.5

Figura 5. Diagrama de bloques del modelo difuso Takagi Sugeno de la planta de control de nivel Lucas Nulle IAC 12 en Simulink. Fuente: Elaboración propia.

En la figura 7 se muestra el desempeño del modelo difuso Takagi Sugeno para predecir el comportamiento de la salida inyectando otros niveles de tensión al proceso diferentes a los que fueron usados para el modelamiento. De los experimentos, se puede concluir que el modelo desarrollado

puede representar con buena exactitud el sistema original en el dominio predefinido. Por lo tanto, puede ser usado para diseñar, sintonizar y evaluar el desempeño off-line de controladores que puedan ser incluidos al proceso.

2 data

Modelo T-S , fit : 76.56% data

Modelo T-S , fit : 76.56%

data

Modelo T-S , fit : 86.9% data

0 60

0 0

data

Modelo T-S , fit : 91.79% data

Modelo T-S , fit : 92.74%

data

Modelo T-S , fit : 92.74% data

40 Modelo T-S 60 , fit : 86.9% 80

0 0

Modelo T-S , fit : 91.79%

0 60

0 0

100

Modelo T-S , fit : 88.18% data

100

data

0 0

150

100

200

150

200

Modelo T-S , fit : 88.18% data

Modelo T-S , fit : 98.12% data

0 50

0 0 0

100

150

100

200

150

200

0 0

250

Modelo 98.12% 150T-S , fit :200

100 100

150

250

200

250

Figura 6. Evaluación del desempeño del modelo difuso Takagi Sugeno para diferentes tensiones a la entrada del sistema. Fuente: Elaboración propia.

10 data

10 5

data

Modelo T-S , fit : 83.22% data

Modelo T-S , fit : 89.92% data

Modelo T-S , fit : 83.22%

Modelo T-S , fit : 89.92%

0 50

0 0 0

100 100

150 150

200 200

5 data

0 0

100 0

100

Modelo T-S , fit : 92.13%

200

300

400

100

200

150

250

200

250

Modelo T-S , fit : 93.42% data

0 400

150

data

Modelo T-S , fit : 92.13% data

0 0

100 0

100

, fit : 93.42% 200Modelo T-S 300 400

200

300

400

Figura 7. Validación del modelo con otro juego de datos tomados de otros puntos de operación a lo largo de todo el rango de operación del proceso. Fuente: Elaboración propia.

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Figura 8. Simulación del controlador DMPC en Matlab/Simulink. Fuente: Elaboración propia.

0 50

100

150

200

250

300

100

150

200

250

300

Figura 9. Comparación del desempeño del DMPC y PID discreto en Matlab/Simulink. Fuente: Elaboración propia.

2 1

1 0 0

0 0

100

150

200

250

(a)

100

150

(b)

Figura 10. Implementación del Algoritmo CPDBM en Studio 5000®. Fuente: Software Studio 5000®.

300

200

250

300

Sintonización del CPDBM en Simulink®

Resultados experimentales

La evaluación inicial del desempeño del controlador se llevó a cabo en Simulink (Figura 8). Se empleó como planta al modelo difuso validado obtenido anteriormente. Se obtuvo, inicialmente, un conjunto de parámetros y ecuaciones (15.1-2) para lo cual se usaron los submodelos de la tabla 1, donde se evidenció un similar desempeño en todos los casos. Los mejores resultados se obtuvieron fijando el horizonte de predicción y el horizonte de control .

El algoritmo CPDBM fue implementado en el PLC Compact Logix L32E, de la familia Allen Bradley, un controlador de uso extendido en el sector industrial peruano. Este PLC incluye la facilidad de ser programado en 4 de los 5 lenguajes del estándar IEC 1131-3 bajo el software Studio 5000®. Debido a la necesidad de programar funciones y manipular arrays se usó texto estructurado. En la figura 10, se observa la estructura las tareas, los programas, las rutinas y las subrutinas que implementan el algoritmo CPDBM.

Los valores de y con los cuales se realizó la simulación fueron los siguientes:

Para comparar el desempeño del CPDBM, se diseñó, adicionalmente, un controlador PID, cuyos parámetros iniciales fueron encontrados con las herramientas de autosintonización del bloque PID ENHANCED, función ya implementada en Studio 5000®. Se elaboró una secuencia de referencias común procurando las mismas condiciones iniciales para evaluar el desempeño de ambos controladores. Los datos se recolectaron usando la herramienta TREND y se exportaron a Matlab para su análisis. Los resultados de la implementación se muestran en las figuras 11.a y 11.b.

(16)

Para verificar la efectividad de la técnica de control propuesta, se evaluó su desempeño sobre un gran rango de operación; además, se comparó con un controlador PID bien sintonizado. El criterio de evaluación para ambos controladores fue la integral del error10absoluto (IAE, por sus siglas en inglés). El tiempo de simulación fue fijado en 300 segundos. Los 8 resultados de la figura 9 muestran que el PID discreto presenta sobreimpulsos y desempeño variable según la región de 6 operación, mientras que el CPDBM presenta el menor tiempo de asentamiento, ausencia de sobrepicos y menor ruido en 4 la señal de control. Hasta el tiempo de simulación, el error 2 acumulado por el PID discreto fue 7.22 % mayor al CPDBM. De las simulaciones, se concluye que el CPDBM soluciona los 0 problemas de variabilidad del de200los controladores 50 desempeño 0 100 150 250 300 tradicionales verificando su superior desempeño en un gran rango de operación.

En la tabla 2, se resumen las características más importantes en el desempeño de ambos controladores. Se verifica que el CPDBM tiene un mejor desempeño que el tradicional PID 8 en términos de reducción del sobreimpulso, el tiempo pico, el tiempo de asentamiento y de la integral del error absoluto 6 (IAE); además, mejora la calidad de la señal de control al filtrar mejor el ruido proveniente del sensor. Otro resultado 4 notorio es que tanto el CPDBM como el PID muestran un 2 comportamiento similar al de las simulaciones efectuadas en Simulink®, confirmando, de nuevo, la validez del modelo 0 desarrollado anteriormente.

100

150

200

250

300

2 1

1 0 0

0 0

100

150

(a)

200

250

100

150

200

250

300

(b)

Figura 11. (a) Resultados de la implementación del DMPC con la planta real y comparativa con un PID bien sintonizado. (b) Comparativa de la señal de control generada por el DMPC y PID. Fuente: Elaboración propia.

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Técnica

Sobreimpulso %

Tiempo pico (s)

Tiempo de asentamiento (s)

IAE

Ruido en señal de control

PID

11.2

DMPC

8.5

>80

172.32

moderado

12.5

160.02

bajo

Tabla 2. Evaluación del desempeño de los controladores bajo un escenario real. Fuente: Elaboración propia.

CONCLUSIONES

[6] Dotoli, M., Fay, A., Miskowicz, M., y Seatzu, C. (2015). A Survey on Advanced Control Approaches in Factory Automation. IFAC-PapersOnLine, 48 (3), 394-399.

• Se desarrolló y se validó un modelo que es capaz de recrear el comportamiento de la planta de nivel sobre un gran rango de operación, y se verificó la utilidad del enfoque Takagi Sugeno a la hora de simplificar los cálculos y procedimientos. Basados en esta información, se propuso controlar el nivel de la planta usando un controlador predictivo discreto basado en modelos (CPDBM).

[7] Escobar, E. Salgado, J, Nicanor, Q. (octubre, 2014). Gain Scheduled - Model Predictive Control Applied to Nonlinear Systems, Memorias del XVI Congreso Latinoamericano de Control Automático (CLCA 2014). Congreso llevado a cabo en Cancún, Quintana Roo, México. 899-904.

• Este algoritmo fue implementado en el controlador industrial Compact Logix L32E usando texto estructurado. El CPDBM fue comparado con un controlador PID correctamente sintonizado en términos de respuesta temporal como tiempo de asentamiento, sobreimpulso, tiempo pico y en términos de error total acumulado bajo el índice de integral del error absoluto (IAE). • De los resultados experimentales, se concluye que el CPDBM posee un mejor desempeño e incrementa la uniformidad en la respuesta bajo diferentes puntos de operación con respecto al desempeño mostrado por el PID. • Como trabajo futuro, se plantea investigar el uso del modelo desarrollado para el diseño de un sistema de diagnóstico, que pueda detectar fallos en sensor, actuador, tubería y tanque, el cual pueda ser integrado, ya sea a un sistema de supervisión avanzado o a un controlador adaptativo tolerante a fallos.

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ACERCA DE LOS AUTORES

Procesos. Ha recibido entrenamiento en Process Control System de Siemens (PCS7), DCS – DeltaV de Emerson Process Management y DCS Invensys de Foxboro. Es especialista en Instrumentación, Automatización y Control de Procesos, Sistemas Integrados de control DCS & SCADA y Gestión de Proyectos de Automatización en Tecsup. Ha participado en el programa de intercambio en la Universidad de Purdue. Cuenta con certificación del idioma inglés por la Universidad de Cambridge. Actualmente, se desempeña como docente a tiempo completo en el área de Electricidad y Electrónica en Tecsup Sede Sur. omoreno@tecsup.edu.pe Andrés Oswaldo Morocco Apfata Ingeniero electrónico por la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa, con estudios de maestría en Ingeniería de Control y Automatización por la Pontificia Universidad Católica del Perú. Miembro del Colegio de Ingenieros del Perú. Posee experiencia en sistemas automáticos de control, programación de PLC e instrumentación industrial. Actualmente, es docente del área de Electrónica y Automatización en Tecsup Sede Sur. amorocco@tecsup.edu.pe

Julio Alejandro Mosaja Churata Ingeniero electrónico de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa y magíster en Ingeniería de Control y Automatización por la Pontificia Universidad Católica del Perú, graduado con mención sobresaliente, y es especialista en Gestión de Proyectos por la misma Universidad. Ha participado en diferentes proyectos de investigación aplicada financiados por FINCyT y CONCYTEC en el campo del diagnóstico y control tolerante a fallos aplicados a procesos industriales. Ha recibido entrenamiento técnico en DCS Invensys de Foxboro y PCS7 de Siemens en Tecsup, y CISCO CCNA v6 por la Universidad Católica San Pablo. Posee experiencia laboral tanto en proyectos como en el área de mantenimiento eléctrico instrumental, desempeñándose en el sector minero e industrial. Actualmente, capacita a profesionales en el área de automatización, instrumentación y control en Tecsup Sede Sur. jmosaja@pucp.edu.pe Edmundo Oswaldo Moreno Arévalo Ingeniero electrónico de la Universidad Católica Santa María en la especialidad de Automatización y Control. Candidato a maestro en Ciencias de Ingeniería Electrónica con mención en Instrumentación y Control de

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Hernando Prada Rojas Ingeniero electrónico por la Universidad Católica de Santa María, magíster en Instrumentación y Control Automático por la Universidad Nacional de San Agustín, y con estudios concluidos de doctorado en Ingeniería Mecatrónica por la Universidad Nacional de San Agustín. Asimismo, posee una segunda especialidad en el Programa de Especialización para Profesionales en Instrumentación, Automatización y Control de Procesos por Tecsup Sede Sur, y la certificación internacional de inglés por la Universidad de Cambridge. Con más de cuatro años de experiencia laboral como coordinador y planner de áreas asociadas a electrotecnia industrial y calidad e innovación educativa. Cuenta con más de diez años de experiencia como docente en las áreas de automatización, control, instrumentación, electrónica, electricidad e informática en los programas de formación regular, programas de capacitación continua y programas de especialización. Además, ha participado en proyectos para el sector minero, implementación de módulos de mantenimiento (SAP) y desarrollo de líneas de carrera, y evaluación para técnicos eléctricos e instrumentistas. Actualmente, es el jefe del Departamento de Electricidad y Electrónica de Tecsup Sede Sur. hprada@tecsup.edu.pe

Un estudio que compara las funciones y analiza la respuesta de transferencia de un motor DC, obtenidas mediante dos procedimientos distintos: la respuesta del voltaje de armadura y la velocidad angular como parรกmetros de entrada y salida.

José Lazarte, Tecsup

Obtención de la función de transferencia de un motor de corriente continua, basada en mediciones experimentales Obtaining the Transfer Function of Continuous Current Motor, based on Experimental Measurements RESUMEN

En el presente artículo, se presentan los resultados del estudio para la obtención de la función de transferencia de un motor de corriente continua basándose en la respuesta del voltaje de armadura y la velocidad angular como parámetros de entrada y salida. En la segunda parte, se mostrará cómo varían dos de sus parámetros, la corriente de armadura y la velocidad angular, frente a las variaciones del voltaje de armadura; datos tomados mediante mediciones realizadas en el motor. Se trabaja sobre tres motores distintos, dos de imán permanente y uno de estator bobinado. En la tercera parte, se realizará un modelo analítico del motor con base en su modelo de representación electromecánica y se define la función de transferencia. En la cuarta parte, se ejecutarán mediciones para determinar experimentalmente los parámetros del motor y encontrar la función de transferencia basándose en a ellos. En la quinta parte, se usará el toolbox «Ident» de MATLAB para encontrar la función de transferencia del motor y comparar con el obtenido mediante métodos experimentales. En la sexta parte, se darán las conclusiones a los resultados obtenidos.

ABSTRACT

This paper shows the results of the study to obtain the transfer function of a DC motor, based on the response between the armature voltage and the angular speed, as input and output signals. In the second part, it is shown how two of its parameters, the armature current and the angular speed, change with the variations of the armature voltage; these data have been taken by measurements made in the motor. The task is made on three different motors, two of permanent magnet and one of winding stator. In the third part, it is made an analytical model of the motor based on its electromechanical model representation and the function of transfer is defined as well. In the fourth part, measurements are made to determine the motor parameters by experimental methodology and find the transfer function based on them. In the fifth part, MATLAB «Ident» toolbox is used to find the transfer function of the motor and compare it with the obtained through experimental methods. In the sixth part, there are given the conclusions on the results obtained.

Palabras clave Motor DC, parámetros de motor DC, modelo experimental de motor DC, Matlab.

Key words DC Motor, DC Motor Parameters, DC Motor Experimental Model, Matlab.

VOLUMEN 12, 2018

INTRODUCCIÓN

En el presente artículo realizaremos un estudio comparando las funciones de transferencia de un motor DC obtenidas mediante dos procedimientos distintos y analizaremos la respuesta de dicha funciones de transferencia. Para ello usaremos las mediciones de sus parámetros tanto de entrada como de salida. En nuestro caso los parámetros a medir serán voltaje de entrada o excitación en armadura (Va), la corriente de armadura (Ia) y la velocidad angular (w). [1] w

Motor (Modelo de caja negra)

Consideraremos aplicar esto a los motores DC de imán permanente y de estator bobinado, Teniendo en cuenta que en este último las condiciones de trabajo de la parte de campo estarán ajustadas a las determinadas por sus datos de placa y que las mantendremos constantes. El procedimiento a seguir para este estudio consistirá en realizar tablas de mediciones de tres parámetros para cada caso y luego graficarlos para observar las respuestas y sus tendencias en su comportamiento. Tomaremos como referencia el voltaje aplicado al motor en los terminales de armadura el cual variaremos desde 0 V. al valor de voltaje que permite obtener su velocidad nominal o que sobrepase los 3,200RPM. Dependiendo de los alcances de cada motor.

0.071

1705

0.0811

2022

5.5

0.087

2225

0.0952

2497

6.5

0.1015

2728

0.1073

2974

7.5

0.1132

3209

0.1204

3502

8.5

0.1267

3749

0.1312

3960

9.5

0.137

4243

0.1422

4460

10.5

0.1471

4746

0.1543

5059

11.5

0.1594

5312

0.1622

5532

Figura 1. Modelo del motor DC. Fuente: Elaboración propia.

4.5

Tabla 1. Valores de medición del motor 1. Fuente: Elaboración propia.

Si graficamos los valores de Ia Vs Va tendremos la gráfica mostrada en la figura 2. En la que se aprecia que la variación de la corriente no es lineal, hay un ligero curvamiento hacia la parte superior, toma una característica algo exponencial o cuadrática. Esto es importante cuando se quiere modelar este comportamiento pues buscaremos ajustar la curva a ecuaciones de ese tipo. la 0.18 0.16

FUNDAMENTOS

0.14 0.12 0.1

Datos referenciales y mediciones

0.08

Motor M1:

0.04

0.06

11.5

10.5

9.5

8.5

7.5

6.5

5.5

4.5

3.5

2.5

1.5

w (RPM) w

0 6000

0.5

0.016

123

4000

1.5

0.0217

290

3000

0.0317

568

2.5

0.0417

845

0.0483

1038

3.5

0.0563

1271

0.0629

1468

5000

2000

11.5

w Figura 3. Respuesta w Vs Va en motor DC M1. Fuente: Elaboración propia.

10.5

9.5

8.5

7.5

6.5

5.5

4.5

3.5

2.5

1000 1.5

Con respecto a la velocidad observamos en cambio una respuesta diferente en su evolución al incrementarle el voltaje de armadura. La figura 3 muestra este comportamiento.

Ia (A)

la Figura 2. Respuesta Ia Vs Va, en motor DC M1. Fuente: Elaboración propia.

0.5

Va (V)

En esta parte el primer motor a usar es un motor de la marca Mabuchi Motors. El modelo de motor usado es EG-530 KD-2F, Los datos de placa del motor especifican 12VDC, 1600/3200 RPM CW, al que llamaremos motor M1. A partir de los datos de placa lo alimentaremos sin carga en el eje y en con voltajes que variarán en 0.5 V en cada incremento midiendo su corriente y velocidad angular.

0.5

0.02

Para la velocidad, se observa una tendencia muy lineal en casi todos sus valores a excepción de valores cercanos a cero. Si ahora establecemos la relación entre la velocidad angular (w) y la corriente de armadura (Ia), observamos que se mantiene la tendencia lineal en la relación entre ambos parámetros. Como se aprecia en la figura 4.

Para la relación entre la corriente y el voltaje aplicado a armadura encontramos la gráfica vista en la figura 5. 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15

6000

0.1

5000

11.5

10.5

9.5

8.5

7.5

6.5

5.5

4.5

3.5

2.5

3000

1.5

4000

0.5

0.05

2000

Figura 5. Respuesta Ia Vs Va en motor DC M2. Fuente: Elaboración propia.

1000 0.1622

0.1594

0.1543

0.1471

0.137

0.1422

0.1312

0.1267

0.1204

0.1132

0.1073

0.1015

0.087

0.0952

0.071

0.0811

0.0629

0.0563

0.0483

0.0417

0.0317

0.0217

0.016

w Figura 4. Respuesta w Vs Ia en motor DC M1. Fuente: Elaboración propia.

Motor M2: Para el segundo motor, tenemos uno del cual no conocemos los datos de fábrica y solo sabemos que su voltaje de armadura nominal es 12 voltios, esta situación es común cuando usamos motores reciclados. Le realizamos las mismas pruebas de medición que al motor M1 y se obtuvieron los siguientes resultados.

Se aprecia una marcada tendencia no lineal y un comportamiento muy diferente a bajas velocidades, en especial para voltajes menores a 2.5 V, en el que a pesar de no moverse la corriente se incrementa dando la impresión de estar frenado el eje. Sin embargo esto se puede explicar considerando que el campo magnético del estator esté actuando como un freno para evitar que el rotor se mueva, hasta que es vencido por la fuerza de empuje al incrementar la corriente de armadura. Luego de ello, la corriente cae y presenta muy poca variación al incremento de la tensión. Pero aun en esta parte la tendencia es muy poco lineal. 1800 1600 1400 1200 1000

0.5

600

0.1655

400

1.5

0.2567

0.2982

2.5

0.1407

250

0.1595

316

3.5

0.1641

405

0.1646

475

4.5

0.168

556

800

0.1739

630

0.1809

710

0.1855

783

6.5

0.1898

861

0.1898

920

7.5

0.1898

1006

0.1919

1060

8.5

0.1817

1140

0.1852

1221

400

9.5

0.1864

1282

200

0.1953

1368

10.5

0.1953

1441

0.2018

1510

11.5

0.2053

1572

0.2062

1690

VOLUMEN 12, 2018

11.5

10.5

9.5

8.5

7.5

6.5

5.5

4.5

3.5

2.5

En la figura 6 se muestra la relación entre la velocidad angular y el voltaje de armadura, en este caso vemos que la tendencia es muy lineal hasta voltajes de armadura de 2.5 V. Por debajo de este valor el motor no se mueve.

Fuente: Elaboración propia.

w Figura 6. Respuesta w Vs Va en motor DC M2. Fuente: Elaboración propia.

5.5

Tabla 2. Valores de medición del motor 2.

1.5

200 0.5

1800 1600 1400 1200 1000 800

0.2062

.02053

0.2018

0.1953

0.1864

0.1852

0.1817

0.1919

0.1898

0.1855

0.1809

0.1739

0.168

0.1646

0.1641

0.1595

0.1407

0.2982

0.2567

600

0.1655

w (RPM)

Ia (A)

Va (V)

w Figura 7. Respuesta w Vs Va en motor DC M2. Fuente: Elaboración propia.

La relación velocidad angular y corriente de armadura conserva la linealidad en casi toda la extensión de los datos. 49

Motor M3:

3500

Para el caso del motor M3, se ha considerado uno de estator bobinado con datos de placa: 0.9KW, 2820 RPM, Vf=190V, If=0.3 A, Va=160V, Ia=7.5 A. En el cual se ha mantenido las condiciones nominales y constantes en el campo y solo se ha variado los valores de voltaje de armadura. El resultado aparece en las siguientes gráficas.

1000 500

0.12

0.11

0.12

163

164

1.2

300

2500

27.8

1.22

588

2000

1.414

719

36.5

1.57

790

500

39.6

1.59

862

1.346

950

1.62

1014

1.539

1178

55.2

1.384

1233

1.585

1441

1.42

1518

1.47

1669

1.641

1839

1.51

1958

1.56

2277

100

1.725

2400

104

1.59

2446

108

1.88

2512

111

1.73

2635

117

1.911

2719

123

1.757

2934

123

1.757

1.911

1.73

METODOLOGÍA

Modelamiento fenomenológico del motor DC Realizaremos un análisis del motor sobre la base de su modelo eléctrico el cual es mostrado en la figura 11.

123

117

111

108

104

100

55.2

39.6

36.5

164

27.8

1.88

Hasta este punto las tendencias en las relaciones de los parámetros de entrada y salida en los tres motores se mantienen y establecen un comportamiento coherente entre ellos. El punto variable está a bajas velocidades.

0.5

1.59

w Figura 10. Respuesta w Vs Ia en motor DC M3. Fuente: Elaboración propia.

1.725

1.56

1.51

1.641

1.47

1.42

1.585

1.384

1.62

1.539

1.59

1.346

1.57

1.414

1.22

1.2

1000

Figura 11. Modelo del motor DC. Fuente: Elaboración propia.

117

1500

1.5

111

3000

108

3500

2.5

Figura 8. Respuesta Ia Vs Va en motor DC M3. Fuente: Elaboración propia.

104

w Figura 9. Respuesta w Vs Va en motor DC M3. Fuente: Elaboración propia.

Tabla 3. Valores de medición del motor 3. Fuente: Elaboración propia.

100

55.2

39.6

36.5

164

27.8

w (RPM)

0.12

1500

2000

0.11

Ia (A)

2500

0.12

Va (V)

3000

Donde: Va= Voltaje de armadura, (V) Vf= Voltaje de campo, (V) Ra, Rf= Resistencia de armadura y campo, (Ω) La, Lf= Inductancia de armadura y campo, (H) Laf= Inductancia mutua armadura campo, (H) Ea= Voltaje contra electromotriz, (V) Tm= Torque entregado por el motor, (N-m) Bm= Coeficiente de fricción viscosa,(kg-m2/s) TL= Torque externo aplicado al motor, (N-m)

Las ecuaciones que relacionan estos parámetros son: (1)

Encontramos la función de transferencia H(s)=w(s)/Va(s), que relaciona la velocidad angular y el voltaje de armadura. (10)

(2) (3) Considerando al voltaje contraelectromotriz Ea dependiente de las inductancias, la corriente de campo y la velocidad angular podemos escribir la siguiente ecuación: (4)

Si consideramos La, Laf, If constantes, podemos remplazar estos factores por una constante K que los represente quedando la ecuación (4) como: (5)

Aplicando esto a la ecuación (2) y despejando la con base en la transformada de Laplace:

Obtención de parámetros por mediciones experimentales En esta parte, usaremos valores de medición para caracterizar los parámetros del motor; para ello usaremos al motor M1. - Medición de Ra y La: La medición de los valores la resistencia de armadura la hacemos en forma directa. - Para medir Ra, usamos un ohmímetro con el cual medimos la resistencia del devanado de armadura, pero moviendo lentamente el rotor y anotando los valores máximos y mínimos, y tomando un promedio. - Para la medición de la inductancia, usaremos una fuente de voltaje alterno de valor eficaz no mayor a la mitad de la amplitud de Va de placa del motor. La frecuencia usada es de 1kHz, con ello medimos la corriente Ia eficaz y aplicamos la ecuación siguiente: (11)

(6)

Ahora, para el lado de la carga mecánica, tenemos que el torque eléctrico Te está dado por la expresión:

Usando esta ecuación, encontramos Vaeficaz = 3.18 V y Iaeficaz=83mA y con el valor de Ra medido anteriormente nos resulta:

(7)

Nuevamente, considerando Laf e If como constantes, podemos introducir una segunda constante Ke quedando la ecuación como: (8)

Remplazando las ecuaciones (6) y (8) en la ecuación (3), y aplicando la transformada de Laplace la expresión queda como:

Ra (Ω)

9.47

La (H)

0.0059

Tabla 4. Valores de Medición de Ra y La. Fuente: Elaboración propia.

Si consideramos que el motor se encuentra trabajando en estado estable, podemos considerar que la influencia de la parte inductiva es despreciable, por tanto de la ecuación (2) se reduce a la siguiente ecuación: (12)

(9) Remplazando la ecuación (5) en (12), despejando luego la constante K tenemos: Tomando las siguientes condiciones relacionadas al motor:

(13)

1. No aplicamos carga al motor. 2. La y Laf son muy próximos en valor, lo cual da como resultado que K = Ke.

VOLUMEN 12, 2018

De los datos medidos para el motor M1, pasando w de RPM a rad/s podemos calcular K como se muestra en la tabla 5.

Va (V) 0

Ia (A) 0

w (RPM) 0

w (rad/s)

0.00

0.0000

0.5

0.00

0.0000

0.016

123

12.88

0.0659

1.5

0.0217

290

30.37

0.0426

0.0317

568

59.48

0.0286

2.5

0.0417

845

88.49

0.0238

0.0483

1038

108.70

0.0234

3.5

0.0563

1271

133.10

0.0223

0.0629

1468

153.73

0.0221

4.5

0.071

1705

178.55

0.0214

0.0811

2022

211.74

0.0200

5.5

0.087

2225

233.00

0.0201

0.0952

2497

261.49

0.0195

6.5

0.1015

2728

285.68

0.0194

0.1073

2974

311.44

0.0192

7.5

0.1132

3209

336.05

0.0191

0.1204

3502

366.73

0.0187

8.5

0.1267

3749

392.60

0.0186

0.1312

3960

414.69

0.0187

9.5

0.137

4243

444.33

0.0185

0.1422

4460

467.05

0.0185

10.5

0.1471

4746

497.00

0.0183

0.1543

5059

529.78

0.0180

11.5

0.1594

5312

556.27

0.0180

0.1622

5532

579.31

0.0181

El valor encontrado para tm es de 110ms. Luego definimos el torque de fricción (Tfr) como: (14)

Aplicando los datos obtenidos a la ecuación (13) tenemos Tfr=0.3056 N.m. Ahora, si a la ecuación (3) le consideramos que se aplique antes de iniciar movimiento, la acción de J es nula, encontramos que se puede expresar como: (15) Despejando B tenemos: (16) El valor de B resulta igual a 5.5245e-06 N.m.s Finalmente, el valor de J lo determinamos con base en la ecuación: (17)

Como K=Ke, entonces: (18)

Tabla 5. Valores de Medición y cálculo de K. Fuente: Elaboración propia.

Consideraremos el valor de K para la velocidad nominal del motor, por tanto, el valor de K es 0.0191 V/(rad/s). Es importante definir el valor de la corriente de arranque Iarr, como la corriente necesaria para que el motor venza la inercia mecánica este valor lo tomamos dela tabla 5 como el primer valor en que se inicia el movimiento, el cual es, Iarr= 0.016 A. Otro parámetro que necesitamos es la constante de tiempo mecánica (tm), la cual se define como el tiempo en el cual el sistema mecánico alcanza el 63.2 % de su velocidad nominal del motor. Para ello usamos un osciloscopio y grabamos la curva de arranque para el motor M1 con un voltaje que permite llegar a su velocidad nominal (para M1 es de 3200 RPM), dicha gráfica se muestra en la figura 12.

El valor de J al aplicar los valores encontrados resulta de 1.1941e-07 Kg.m2. Los parámetros de motor encontrados son los siguientes: Ra (Ω)

9.47

La (H)

0.0059

J(Kg.m2)

1.1941e-07

B()

5.5245e-06

0.0191

Tabla 6. Valores de parámetros finales. Fuente: Elaboración propia.

Con estos valores podemos encontrar la función de transferencia usando MATLAB y la ecuación (10). (19)

La respuesta a una excitación del tipo escalón se muestra a continuación.

Figura 12. Constante de tiempo mecánica tm. Fuente: Elaboración propia.

Figura 15. Plantilla de configuración de «ident» de MATLAB. Fuente: Elaboración propia. Figura 13. Respuesta de la Ec. (19) a la excitación tipo escalón. Fuente: Elaboración propia.

La amplitud alcanzada es de 45.8 en estado estable.

La función de transferencia resultante denominada tf1, la mostramos en la ecuación (20) y la transferimos al Workspace para poder trabajar con ella.

Obtención de parámetros del motor usando MATLAB En esta parte, usaremos el Toolbox «ident» de MATLAB, para ello requeriremos tener datos del motor en su respuesta a una excitación del tipo escalón. Esto lo realizaremos con la ayuda de un osciloscopio digital, el cual nos facilitará el proceso de muestreo de la salida que representa a la velocidad en forma de voltaje recogida por un motor como el descrito en por M1, las condiciones de funcionamiento en la toma de datos fueron: w=2295 RPM, Va=8.57 y el tiempo de muestreo de 0.0001s. La gráfica de la respuesta se muestra en la figura 14

(20) Usando la función «step» evaluamos la gráfica de la función de transferencia.

Figura 16. Respuesta a una entrada tipo escalón. Fuente: Elaboración propia.

La amplitud alcanzada es de 28.1 en estado estable. Figura 14. Señales de entrada (Va) y salida (w) del motor M1. Fuente: Elaboración propia.

Luego de convertir voltios a RPMs y de ahí a rad/s; cargamos los datos al Workspace de MATLAB y activamos el Toolbox «ident», al cargar la ventana de trabajo cargamos la información de desde el workspace al área de datos de entrada en «mydata» con la herramienta «Estimate» configuramos para la opción «función de transferencia»; consideramos en la función de transferencia un modelo sin ceros en el numerados y con dos polos en el denominador. La pantalla de datos en el toolbox ident lo vemos en la figura 15.

VOLUMEN 12, 2018

RESULTADOS Comprobación de las funciones de transferencia Se ha obtenido los parámetros del motor M1 usando métodos experimentales los mostrados en la tabla 6, de dichos valores se calculó la función de transferencia del motor basándonos en la ecuación (10) obteniéndose la ecuación (19). Para poder comparar este resultado y calculamos también la función de transferencia usando el Toolbox de «ident» de MATLAB y un muestreo de valores de entrada y salida tomados directamente a través de la adquisición de datos realizado con un osciloscopio digital, dando como resultado la función de transferencia de la ecuación (20).

Para comparar las dos funciones de transferencia, escalaremos sus amplitudes a la unidad y usaremos el comando «step» de MATLAB para observar el comportamiento en paralelo de ambas funciones. El resultado se muestra en la figura 17.

• Finalmente, se ha logrado con éxito encontrar las funciones de transferencia y los parámetros del motor mediante datos que pueden ser medidos experimentalmente. Y se ha dado los lineamientos del procedimiento a seguir.

REFERENCIAS [1] Ganesh, C., Abhi, B., Anand, V.P., Aranvind, S., Nandhini, R. & Patnaik, S.k. (2012). DC Position Control System -Determination of Parameters and Significance on System Dynamics, ACEEE International Journal on Electrical and Power Engineering. 3(1), 1-5. [2] Hussin, M. S., Azuwir, M. N., & Zaiazmin, Y. N. (Abril de 2011). Modeling and validation of brushless DC motor. Fourth International Conference on Modeling, Simulation and Applied Optimization. Conferencia llevada a cabo en IEEE Xplore, Kuala Lumpur, Malasia. 1-4.

Figura 17. Respuesta de las dos funciones de transferencia. Fuente: Elaboración propia.

CONCLUSIONES

Al final de este artículo, podemos concluir: • Como se observa en los valores medidos en la segunda parte en tres motores, dos de imán permanente y uno de estator bobinado, las tendencias de comportamiento de Ia y w respecto a Va; son similares en los tres. Sin embargo, en el motor de estator bobinado (M3) la inercia del eje fue más evidente por su marcado comportamiento no lineal a bajas velocidades. • En los motores de estator bobinado, esto es menos perceptible. • Y, en el caso del motor (M1), la linealidad de la respuesta w Vs Va es evidente. • Tomando como objeto de estudio al motor M1 por su mayor linealidad, se realizó el procedimiento de obtención de sus parámetros basándose en valores medidos o experimentales logrando con éxito obtener la función de transferencia del motor en función a ellos. • Se usó un método alternativo para la obtención de la función de transferencia, basado en el Toolbox «ident» de MATLAB. • Al comparar las dos funciones de transferencia se observó dos grandes diferencias en las respuestas a ser excitados mediante un escalón unitario; la primera es respecto a los tiempos de establecimiento pues en el modelo experimental el tiempo de establecimiento es de 0.0124 s y el modelo no experimental es de 0.0212 casi del doble de lento. Y la segunda, es que el modelo no experimental tiene una tendencia de crecimiento mucho más amortiguado.

[3] Samitha Ransara, H. K., & Madawala, U. K. (Febrero de 2013). Modelling and analysis of a low cost Brushless DC motor drive. IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT). Conferencia llevada a cabo en IEEE xplore, Cape Town, South Africa. 356-361. [4] Udomsuk, S., Areerak, K.-L., Areerak, K.-N. & Srikaew, A. (Junio de 2010) Parameters identification of separately excited DC motor using adaptive tabu search technique. International Conference on Advances in Energy Engineering. Conferencia llevada a cabo en IEEE Xplore, Beijing, China. 48-51 [5] Yedamale, P. (2003) Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals. Application Note AN885. Microchip Technology Inc.: Texas. Recuperado de: http://ww1. microchip.com/downloads/en/appnotes/00885a.pdf ACERCA DEL AUTOR José Jacob Lazarte Rivera Recibió el grado de bachiller en Ciencias y el título profesional en Ingeniería Electrónica, por la Universidad Nacional de Ingeniería, ha participado en programas de entrenamiento en Aplicaciones Industriales de la Electrónica en el Instituto Politécnico de Inchon en Corea del Sur. Tiene experiencia en mantenimiento electrónico y desarrollo de soluciones en el campo de la Electrónica Industrial, habiendo realizado diversas actividades de consultoría para empresas locales. Es profesor a tiempo completo en Tecsup sede Centro, dicta cursos relacionados a electrónica analógica y digital, y tiene a su cargo el Laboratorio de Electrónica de Potencia en el departamento de Electricidad y Electrónica. Participa también en el dictado de cursos de especialización para profesionales de la industria, especialmente en temas de Control Electrónico de Potencia y Control Automático de motores eléctricos. jlazarte@tecsup.edu.pe

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Antes de evaluar la mejor opción de financiamiento para comprar un equipo, es necesario determinar el momento óptimo de su reemplazo; este se determina con el cálculo de la vida útil económica, empleando la metodología costo anual equivalente de la inversión y costos de operación y mantenimiento.

José Rojas, Tecsup

Evaluación de activos: de la teoría a la práctica Assets Evaluation: from Theory to Practice

RESUMEN

ABSTRACT

La evaluación de activos supera las metodologías que nos plantean los autores de libros de ingeniería económica, evaluación de proyectos, finanzas y matemáticas financieras.

The evaluation of assets goes beyond the methodologies proposed by the authors of books on economic engineering, project evaluation, finance, and financial mathematics.

Los ejemplos y casos que encontraremos en los textos referentes a la evaluación de activos tienen como finalidad académica enseñar la metodología de cálculo bajo escenarios muchas veces pocos realistas y con supuestos teóricos, que no se ajustan a lo que ocurre en una empresa.

The examples and cases that we can find in the books referring to the evaluation of assets, have an academic purpose to teach the methodology of calculation under scenarios that are often few realistic and using theoretical assumptions, which do not fit what occurs in a company.

Por ello, el objetivo de la presente investigación es complementar la evaluación de activos fijos con una financiera que le dé mayores elementos de juicio al evaluador cuando decida adquirir un activo fijo, no solo conociendo el momento óptimo de su reemplazo.

Therefore, the objective of the present investigation is to complement the evaluation of fixed assets with a financial evaluation, that gives greater elements of judgment to the evaluator when making a decision to acquire a fixed asset, not only knowing the optimal moment for its replacement.

La metodología empleada es la investigación científica descriptiva, con un diseño no transversal experimental, se emplearon técnicas de investigación documental en fuentes bibliográficas, iconográficas y magnéticas, validándose a través del desarrollo de un caso práctico de una empresa de servicios de tornería y fabricación de estructuras metálicas.

The methodology used is descriptive scientific research, with an experimental non-transversal design, making use of documentary research techniques on bibliographic, iconographic and magnetic sources, validating the research through the development of a practical case in a company of turnery service and manufacture of metal structures.

A través del caso, se explicará los conceptos básicos y lineamientos que deberá tener en cuenta el evaluador al momento de examinar opciones de reemplazo de equipos, así también como definir la mejor opción de su financiamiento.

Through this case, it will be explained the basic concepts and guidelines that the evaluator should take into account when evaluating equipment replacement options, as well as how to define the best financing option.

El caso propuesto complementa los esquemas actuales de la evaluación de activos, brindando mayor información al evaluador para la toma de decisiones.

The proposed case complements the current asset evaluation schemes, providing more information to the evaluator for decision- making procedures.

Palabras clave Valoración de activo, vida útil económica, costo anual equivalente, costos netos, valor residual, reemplazo de activos.

Key words Asset valuation, economic useful life, annual equivalent cost, net costs, residual value, replacement of assets.

VOLUMEN 12, 2018

INTRODUCCIÓN

se adaptó su metodología a un caso particular de una empresa de servicios de tornería y fabricación de estructuras metálicas.

Uno de los principales problemas que enfrenta el evaluador cuando examina el reemplazo de activos fijos, es determinar la mejor opción de financiamiento de este.

Para un mejor entendimiento del caso, es necesario que el lector tome referencia de los siguientes conceptos básicos que se desarrollan en los cursos de ingeniería económica, evaluación de proyectos, finanzas y matemáticas financieras.

Para realizar una correcta evaluación económica y financiera, se requiere manejar conceptos básicos y fórmulas de matemática financiera, las cuales serán desarrolladas a detalle en la parte de fundamentos. A partir del caso de una empresa que realiza servicios de tornería y fabricación de estructuras metálicas, se evaluará la mejor opción de financiamiento para el reemplazo de su torno actual. En el mercado financiero, podemos encontrar diferentes opciones de financiamiento: • • • •

Financiamiento con préstamo Financiamiento con arrendamiento operativo Financiamiento con arrendamiento financiero Financiamiento con bonos

Antes de evaluar la mejor opción de financiamiento para comprar un equipo, es necesario determinar el momento óptimo de su reemplazo. Este se determina con el cálculo de la vida útil económica, empleando la metodología costo anual equivalente de la inversión y costos de operación y mantenimiento. La División de Planificación, Estudios e Inversión de Chile recomienda, para la evaluación de reemplazo de equipos, contar con la siguiente información [7]: • Tipo de equipo y producto que proporciona. • Descripción del equipo existente, marca y año de adquisición, vida útil técnica y calidad de producción del bien o servicio. • Descripción del equipo que se pretende adquirir, vida útil técnica y calidad de su producción. • Volúmenes de producción o de prestación de servicios durante los últimos años, y precios de venta del producto o servicio que se obtiene con el equipo. • Volúmenes de producción o servicios subcontratados a terceros (si fuera el caso). Sin embargo, en la realidad, no siempre se contará con toda la información requerida para la evaluación, dado que no todas las empresas llevan un registro y control de sus operaciones de equipos y maquinarias, lo que imposibilita un análisis más fino de la evaluación.

FUNDAMENTOS Para el desarrollo de la evaluación financiera de activos fijos, se tomó como base de referencia el caso del modelo mínimo costo desarrollado por el Dr. Sergio Bravo Orellana [6]. En este, 58

Activo: Está formado por todos los recursos que son de propiedad de la empresa y que le pueden generar beneficios económicos futuros [1]. Arrendamiento: El arrendamiento o leasing es un contrato mediante el cual el dueño de un activo (el arrendador), le confiere a otra persona (el arrendatario) el derecho de usar el activo por un periodo de tiempo determinado, a cambio de un pago monetario que se efectúa a manera de alquiler [2]. El arrendamiento operativo: Las Normas Internacionales de Contabilidad (NIC) definen el arrendamiento operativo como un tipo de contrato de arrendamiento que no trasfiere todos los riesgos y ventajas inherentes al derecho de propiedad (Dirección Nacional Pública S. F.) [2]. El arrendamiento financiero: Las NIC que son aceptadas por Perú, afirman que «Un arrendamiento se clasificará como financiero cuando transfiera sustancialmente todos los riesgos y ventajas inherentes a la propiedad». Esto se hace evidente en su carácter no cancelable, ya que transfiere hacia el arrendatario los riesgos de que el activo quede obsoleto. Además, es común que, al terminar el periodo de arrendamiento, el activo sea entregado o vendido al arrendatario por una suma menor al valor del rescate [2]. Costo anual equivalente uniforme (CAUE): Método utilizado corrientemente para la comparación de dos alternativas. El CAUE significa que todos los ingresos y desembolsos (irregulares o uniformes) deben convertirse en una cantidad anual uniforme equivalente. La principal ventaja de este método sobre los otros es que no requiere que la comparación se lleve a cabo sobre el mínimo común múltiplo de años cuando las alternativas tienen diferentes vidas útiles [3]. Obsolescencia: Como consecuencia de la competencia internacional y del rápido avance tecnológico, los sistemas y activos actuales instalados funcionan aceptablemente, aunque con menor productividad que el equipo que se fabricará en breve. La disminución del tiempo que tardan los productos en llegar al mercado, con frecuencia, es la razón de los análisis de reemplazo anticipado, es decir, estudios realizados antes de que se alcance la vida útil económica calculada [4]. Vida útil económica: Periodo durante el cual una máquina puede operar en forma eficiente realizando un trabajo económico, satisfactorio y oportuno, siempre y cuando sea correctamente conservada y mantenida [6]. Costos netos: El método de los costos netos es para evaluar un proyecto nuevo, en una empresa en marcha. Sobre todo, cuando se trata de decidir entre arrendar o comprar con deuda: préstamo o bonos [8]. Costo de oportunidad del capital (COK): Es aquella tasa de rendimiento resultante de una alternativa especulativa de igual riesgo [9].

Depreciación: Es la distribución sistemática del importe depreciable de un activo a lo largo de su vida útil [11].

por diferencia, la pérdida de valor durante la vida contable del activo [12].

Tasa efectiva anual (TEA): La tasa efectiva anual indica el porcentaje efectivamente ganado durante un año y se capitaliza una sola vez [15].

Valuación de activos: Método que consiste en la determinación del precio del mercado de cada activo, entendiéndose por este al monto que se pueda obtener en efectivo en una transacción libre ejecutada inmediatamente y en las condiciones presentes del activo, su estado y capacidad de uso, como del entorno y posibles demandantes [10].

Valor de desecho contable: El valor contable o valor libro corresponde al valor de adquisición de cada activo menos la depreciación que tenga acumulada a la fecha de su cálculo o, lo que es lo mismo, a lo que falta por depreciar ese activo en el término del horizonte de evaluación [12]. Valor de desecho comercial: La valoración por el método comercial se fundamenta en que los valores contables no reflejan el verdadero valor que podrán tener los activos al término del periodo de evaluación [12]. Valor de desecho económico: La valorización por el método económico considera que el proyecto tendrá un valor equivalente a lo que será capaz de generar a futuro [12].

Vida técnica: Referida, generalmente, a los equipos industriales. Se denomina vida técnica o vida útil de una máquina al número de años que se estima que la misma podrá funcionar normalmente. Por tratarse de una estimación que se formula ex ante o a priori, la vida técnica de un equipo industrial nunca podrá conocerse con exactitud. Tomando como base la experiencia y las características técnicas siempre se podrá formar una idea, aproximada al menos, de cuál va a ser (salvo imprevistos) la duración de un equipo industrial. La vida técnica no siempre coincide con la vida económica. Esta se puede alargar, aumentando los gastos de conservación y reparación, o acortar, según convenga [14].

Valor presente de los costos (VPC): Representa los costos actualizado a una tasa de descuento [8].

Caso estudio: Maquinsa S. A. C.

Valor residual: También conocido como «valor de desecho»; en términos generales, es el valor que se le asigna al activo al finalizar su periodo de depreciación, independientemente de su vida útil real. Se usa contablemente para determinar,

Maquinsa S. A. C. es una empresa que se dedica a servicios de tornería y construcción de estructuras metálicas. Inicia sus actividades a comienzos del 2013, para lo cual adquiere un torno modelo STH 400 valorado en S/ 105 000.

Figura 1. Modelo de torno STH 400. Fuente: Empresa fabricante de tornos Pinacho.

VOLUMEN 12, 2018

MODELO

STH 400

ESPECIFICACIONES

X - Husillo bolas, Ø y paso (mm)

Valor residual de máquina

32/5

Contrapunto, Ø caña

Recorrido de la caña contrapunto

215

4” 9”

Cono morse caña (MT)

Posiciones torreta automática estándar

Dimensiones de la herramienta

32x32

Ø Herramienta interiores

1 ¼x1 ¼”

0.01 0.01 10-300/300-530

Luneta móvil, capacidad

3-11 ½” 17

Potencia bomba refrigerante (kW)

0.57

Caudal bomba de refrigerante (l/min)

3557/4557/5557/6557/7557

Anchura (mm)

2077

Altura (mm)

2227

Peso (kg)

DIN 8605

Tabla 1. Especificaciones técnicas de torno STH 400. Fuente: Empresa fabricante de tornos Pinacho.

De acuerdo con los registros de la empresa se tienen los siguientes costos históricos de operación y mantenimiento (2013-2017) y su valor residual del torno STH 400. 2014

2015

2016

Tabla 2. Valor residual histórico Torno STH 400. Fuente: Maquinsa S. A. C.

2013

2014

2015

2016

2017

Costo de operación

12 000.00 12 900.00 13 860.00 14 900.00 16 020.00

Costo de mantenimiento

10 000.00 10 800.00 11 660.00 12 600.00 13 600.00

CO&M

22 000.00 23 700.00 25 520.00 27 500.00 29 620.00 Tabla 3. Costos históricos de operación y mantenimiento. Fuente: Maquinsa S. A. C.

El Departamento de Comercial proyecta un crecimiento en la demanda de servicios de torneado para los siguientes años de un 20 %, dado los nuevos proyectos mineros que tiene en cartera el actual gobierno. Por su parte, el Departamento de Producción estima los costos de operación y mantenimiento de su máquina para los siguientes cuatro años (2018-2022) y su valor residual.

14 930.00

Costos

2018

2019

2020

2021

2022

Costo de operación

19 120.00 22 820.00 27 220.00 32 480.00 38 740.00

Costo de mantenimiento

16 420.00 19 800.00 23 880.00 28 820.00 34 760.00

CO&M

35 540.00 42 620.00 51 100.00 61 300.00 73 500.00

La racionalidad económica aconseja mantener los costos en el menor nivel posible, independientemente del nivel de ingresos por ventas [5].

METODOLOGÍA

2017

76 280.00 60 180.00 48 410.00 39 590.00 32 820.00

Costos

27 540.00 23 340.00 19 9600.00 17 200.00

Debido al incremento gradual proyectado de los costos de operación y mantenimiento de la máquina, el gerente de Producción decidió evaluar la conveniencia o no de comprar un nuevo torno para reemplazar el actual (Torno STH 400).

5460/5760/6460/7560/9060

Norma de verificación

Valor residual Torno STH 400

2022

Tabla 5. Costos de operación y mantenimiento proyectados. Fuente: Maquinsa S. A. C.

130/180/225/300/350

Longitud (mm)

2013

2021

Capacidad tanque refrigerante (l)

Concepto

2020

1½-12 / 12-21”

70-290

Potencia motor principal (kW)

2019

2”

Repetitividad (mm) Lunetas fijas, capacidades

2018

Tabla 4. Valor residual proyectado de torno STH 400 Proyectado. Fuente: Maquinsa S. A. C.

Precisión (mm)

Dimensiones

Concepto

PULGADAS

La metodología empleada en la presente investigación es de tipo descriptiva, que consiste en examinar un tema o un problema poco estudiado y del que se tiene dudas o que no haya sido abordado anteriormente [13]. El desarrollo de un caso práctico permitirá graficar de manera sencilla la evaluación de reemplazo de activos fijos. Asimismo, se complementa con la evaluación de la mejor opción de financiamiento del equipo, siendo este acápite el aporte de la investigación, complementando los casos existentes en los libros de evaluación de activos. Para el desarrollo del caso, se conceptualizan los conceptos básicos de evaluación de activos, adicionando a ello el uso de las principales formulas financieras para el cálculo del costo anual equivalente uniforme y costos netos [8]. A continuación, se desarrollará paso a paso la solución del caso planteado. Paso 1 Para un mejor entendimiento, separaremos el flujo de inversiones del flujo de costos de operación y mantenimiento, para luego sumar ambos flujos o costos anuales equivalentes, a fin de que podamos determinar la vida útil económica de la máquina. Se utiliza un costo de oportunidad del 20 % anual.

I CO CM CT

R= S/ - 63 208.33 x 20 %(1+20 %)^2 (1+20 %)^2 - 1

: Inversión : Costo de operación : Costo de mantenimiento : Costo total

R= S/ 41 372.73 Hasta este punto, podemos concluir que una política de reemplazo cada dos años (S/ 41 372.73) es menor que el correspondiente a una política de reemplazo a cada año (S/ 49 720.00)

CT = CO + CM Paso 2 Calculamos el costo anual equivalente de la inversión con una proyección de 10 años que equivale a la vida útil técnica del torno. VR1 = S/ 76 280

VR3 = S/ 60 180

VR3 = S/ 14 930

*Para el cálculo de los resultados anteriores hacemos uso de las siguientes fórmulas de matemática financiera [11]. Factor de capitalización (FC) FA = 1 / (1+i) ^n S = P. FC n, i

2 ……………………10

IO = S/ 105 000

Figura 2. Valor residual proyectado (Torno STH 400). Fuente: Información de la empresa.

*VR = Valor residual 2.1. Actualización del VR en año 1 S/ 76 280.00 / (1 + 20 %) ^ 1 = S/ 63 566.67 2.2. Valor actual de inversión en año 1 S/ -105 000.00 + S/ 63 566.67

Factor de actualización (FA) FA = 1 / (1+i) ^n P = S. FA n, i Factor de distribución de un valor presente (FDVP) FDVP = i (1+i) ^n (1+i) ^n - 1 R = S. FDVF n, i Seguidamente, haciendo uso del programa Excel encontramos el valor actualizado de las inversiones para los siguientes años, hasta el periodo 10.

= S/ -41 433.33 2.3. Actualización de inversión en año 1 = S/ -41 433.33 (1 + 20 %) ^ 1

Periodo Año Inversión

Valor residual

FA (VR)

VP (VR)

FDVP (VR)

2012 105 000.00

2013

76 280.00 63 566.67 -41 433.33 -49 720.00

2014

60 180.00 41 791.67 -63 208.33 -41 372.73

2015

48 410.00 28 015.05 -76 984.95 -36 546.70

2.4. Actualización del VR año 2

2016

39 590.00 19 092.00 -85 907.60 -33 185.17

S/ 60 180.00 / (1 + 20 %) ^ 2 = S/ 41 791.67

2017

32 820.00 13 189.62 -91 810.38 -30 699.53

2.5. Valor actual de inversión en año 2

2018

27 540.00

9 223.09 -95 776.91 -28 800.67

S/ -105 000.00 + S/ 41 791.67

2019

23 340.00

6 513.77 -98 486.23 -27 322.44

= S/ -63 208.33

2020

19 960.00

4 642.06 -100 357.94 -26 154.23

2.6. Actualización de inversión en año 2

2021

17 200.00

3 333.48 -101 666.52 -25 221.38

R= P. FDVP i, n

2022

14 930.00

2 411.28 -102 588.72 -24 496.74

= S/ -49 720.00 Para el segundo año, de igual forma, se actualiza el valor residual de la maquina (VR2), descontándose de su valor inicial, para, posteriormente, calcular el costo anual equivalente de la inversión a una política de reemplazo dos años.

FDVP = i (1+i) ^n (1+i) ^n - 1

VOLUMEN 12, 2018

Tabla 6. Proyección de costo anual equivalente de inversiones. Fuente: Elaboración propia.

Paso 3

Periodo

Luego de calcular el costo anual equivalente de las inversiones, procedemos a estimar el costo anual equivalente para el costo de operación y mantenimiento del torno.

COyM

= S/ 22 000

COyM

= S/ 23 700

Figura 3. Costos de operación y mantenimiento (Torno STH 400). Fuente: Información de la empresa.

3.1. Actualización del COyM en año 1

Año

Inversión

CO&M

FA CO&M FDVP (VR)

2012

105 000.00

2013

22 000.00

18 333.33 22 000.00

2014

23 700.00

34 791.67 22 772.73

2015

25 520.00

49 560.19 23 527.47

2016

27 500.00

62 822.15

2017

29 620.00

74 725.76 24 986.78

2018

35 540.00

86 628.03 26 049.55

2019

42 620.00

98 522.49 27 332.50

2020

51 199.00

110 406.72 28 773.03

2021

61 300.00

122 287.07 30 336.91

2022

73 500.00

134 157.73 31 999.67

Tabla 7. Proyección costo anual equivalentes de operación y mantenimiento. Fuente: Elaboración propia.

S/ 22 000.00 / (1 + 20 %) ^ 1 = S/ 18 333.33 3.2. Actualización CoyM en año 1

Paso 4 Finalmente, procedemos a calcular el costo anual equivalente total, sumando el costo anual equivalente de las inversiones más los costos anuales operativos y de mantenimiento del torno STH 400.

= S/ 18 333.33 (1 + 20 %) ^ 1 = S/ - 22 000.00 3.3. Actualización del COyM en año 2

Periodo

Año

Para el segundo año, se actualiza el costo de operación y el costo de mantenimiento del segundo año a la tasa del 20 % anual y le sumamos la actualización del costo de operación y mantenimiento del primer año.

2012

2013

-71 720.00

2014

-64 145.45

2015

-60 074.18

[ S/ 22 000.00/(1 + 20 %) ^ 1 ]+ [ S/ 23 700.00 /(1 + 20 %)^2 ]

2016

-57 452.68

2017

-55 686.30

2018

-54 850.21

3.4. Actualización CoyM en año 2

2019

-54 654.933

2020

-54 927.26

Una vez actualizado el costo de operación y mantenimiento al año 1, procedemos calcular el costo anual equivalente de los costos de operación y mantenimiento para una política de reemplazo de cada 2 años.

2021

-55 558.29

2022

-56 469.42

= S/ 34 791.67

En la tabla 8, se aprecia que costo anual equivalente total mínimo se produce durante el año 8, que es cuando se debe reemplazar el torno STH 400; de lo contrario, su permanencia en la empresa ya no es beneficiosa. Por lo tanto, este activo tiene una vida útil económica de siete años.

R= S/ – 34 791.67 x 20 %(1+20 %)^2 (1+20 %)^2 - 1 R= S/ 22 772.73

Flujos relevantes

2013

2014

2015

2016

2017

Valor residual

76 280.00

60 180.00

48 410.00

39 590.00

32 820.00

2 854.00

2 434.00

2 096.00

1 820.00

1 593.00

CAE inversión

Inversión

CAET

Tabla 8. Proyección del costo anual equivalente. Fuente: Elaboración propia.

R= P. FDVP i, n

2018

2019

2020

2021

2022

105 000.00

49 720.00

41 372.73

36 546.70

33 185.17

30 699.53

28 800.67

27 322.44

26 154.23

25 221.38

24 469.74

Costo de operación

1 200.00

1 290.00

1 386.00

1 490.00

1 602.00

1 912.00

2 282.00

2 722.00

3 248.00

3 874.00

Costo de mantenimiento

1 000.00

1 080.00

1 166.00

1 260.00

1 360.00

1 642.00

1 980.00

2 388.00

2 882.00

3 476.00

CO y M

2 200.00

2 370.00

2 552.00

2 750.00

2 962.00

3 554.00

4 262.00

5 110.00

6 130.00

7 350.00

18 333.33

34 791.67

49 560.19

62 822.15

74 725.76

86 628.03

98 522.49

110 406.72

122 287.07

134 157.73

22 000.00

22 772.73

23 527.47

24 267.51

24 986.78

26 049.55

27 332.50

28 773.03

30 336.91

31 999.67

71 720.00

64 145.45

60 074.18

57 452.68

55 686.30

54 850.21

54 654.93

54 927.26

55 558.29

56 469.42

Actualización del CO y M CAE CO y M Costo de oportunidad CAE Total

20 %

Tabla 9. Vida útil económica de Torno STH 400. Fuente: Elaboración propia.

24 267.51

Paso 5

La vida útil económica del torno STH 400 se da en el periodo 8, que, para nuestro caso, corresponde al 2018.

Luego de determinar el momento óptimo de reemplazo del torno STH 400 dado el cálculo de estimación de su vida útil económica (año 8), el gerente de Producción decide comprar un torno de mayor recorrido, capacidad de torneado, potencia y volteo sobre bancada, eligiendo el modelo STH 500, que tiene un valor de mercado de S/ 120 000.00 con una vida útil técnica de 10 años.

80 000.00 70 000.00 60 000.00 50 000.00 40 000.00 30 000.00 20 000.00 10 000.00 -

CAE Inversiones

CAE CO y M

CAE Total

Figura 4. Proyección costos equivalentes anuales de torno STH 400. Fuente: Elaboración propia.

de 70 ad ø6 cid do 10 a p a a ø5 cad ca rne ban to bre o s eo volt

recorrido 410

ø27

ø2

73.5

0 ø50

400

ø5

1000 957

2000 1957

3000 2957

4000 3957

5000 4957

410

Figura 5. Diagrama de interferencias de STH 400. Fuente: Empresa fabricante de tornos Pinacho.

recorrido 485 Ø

81.5

500

Ø5

Ø280

de 50 d 7 da Ø 15 ci ado Ø7 a p e ada ca orn anc b t re sob teo vol

2000 2005

3000 3005

4000 4005

5000 5005

485

Figura 6. Diagrama de interferencias de STH 500. Fuente: Empresa fabricante de tornos Pinacho.

VOLUMEN 12, 2018

MODELO

STH 400

ESPECIFICACIONES

STH 500

PULGADAS

Control

PULGADAS

Fanuc 0i-TF / Fagor 8055i/FL-TC / Siemens 828D 1000/2000/ 3000/4000/5000

Distancia entre centros

40”/80”/120”/ 157”/197”

2000/3000/ 4000/5000

80”/120”/ 157”/197”

Altura de centro

400

16”

500

20”

Max. Ø sobre bancada

805

32”

1010

40”

Max. Ø sobre carro

720

28”

935

37’

Max. Ø sobre carro transversal

515

20”

718

28”

Recorrido carro transversal

400

16”

500

20”

Longitud del carro

900

35”

980

38 ½”

Longitud del carro transversal

750

30”

950

37”

Ancho de bancada

425

17”

500

20”

Agujero del eje principal del cabezal

105

Nariz del eje principal (ASA/CAM-LOCK) Cono Morse eje principal (MT) Rangos de velocidad (rpm)

155

230

4”

9”

6”

130

155

A2-8/D1-8

A2-11/--

A2-15/--

A2-11/--

Rango I

0-425

0-356

0-268

Rango II

425-1700

356-1000

268-750

Avances de trabajo Z, X (mm/min)

310

5”

A2-11/-5

9”

12”

A2-20/-6

0-356

0-300

0-194

356-1000

300-750

194-560

0-7000

Avances rápidos X (m/min)

6”

A2-15/--

0-7000

Avances rápidos Z (m/min)

Z - Husillo bolas, Ø y paso (mm)

0-366 366-1400

230

50/10

Tabla 10. Cuadro comparativo: especificaciones técnicas entre modelos de torno STH 400 y STH 500. Fuente: Empresa fabricante de tornos Pinacho.

Para determinar la modalidad más conveniente de financiamiento, aplicaremos el método de evaluación por costos netos.

Periodo

Saldo

Interés

Amortización

Cuota

120 000.00

12 600.00

19 461.06

32 061.06

100 538.94

10 556.59

21 504.47

32 061.06

Se procederá a evaluar la menor opción de financiamiento:

79 034.47

8 298.62

23 762.44

32 061.06

Opción 1: Financiamiento con préstamo bancario

55 272.03

5 803.56

26 257.50

32 061.06

29 014.53

3 046.53

29 014.53

32 061.06

Evaluación por costos netos

Condiciones del préstamo Préstamo TEA Periodo

: S/ 120 000.00 : 10.50 % : 5 años

*TEA (Tasa efectiva anual) Calculo de valor de cuota R = 120 000.00 x FDVP 5,0.105 R = 120 000.00 x 10.50 % (1+10.50 %)^5 (1+10.50 %)^5 - 1 R = S/ 32 061.06

Tabla 11. Cuadro servicio de la deuda. Fuente: Elaboración propia.

Luego, procedemos a elaborar el flujo de pago después de impuestos, teniendo en cuenta que el impuesto a la renta en el Perú es de 29.50 % anual. Consideramos la siguiente simbología para el cálculo del flujo de pagos: C = Cuota I = Interés AM = Amortización D = Depreciación T = Impuesto a renta DT = Después de impuestos

Años

Cuota C (I+AM)

Depreciación C

Interés I

Monto econ. imp. (D+I)

Monto econ. imp. T (D+I)

Flujo DT (I+AM) – T(D+i)

32 061.06

24 000.00

12 600.00

36 600.00

10 797.00

21 264.06

32 061.06

24 000.00

10 556.59

34 556.59

10 194.19

21 866.87

32 061.06

24 000.00

8 298.62

32 298.62

9 528.09

22 532.97

32 061.06

24 000.00

5 803.56

29 803.56

8 792.05

23 269.01

32 061.06

24 000.00

3 046.53

27 046.53

7 978.73

24 082.33

120 000.00

40 305.30 Tabla 12. Flujo de pago después de impuestos. Fuente: Elaboración propia.

Finalmente, calculamos el valor presente de los costos (VPC) =

Calculamos el VPC con arriendo financiero

21 264.06/(1+10.50 %)^1+21 866.87/(1+10.50 %)^2+ 22 532.97/(1+10.50 %)^3+23 269.01(1+10.50 %)^4+ 24 082.33/(1+10.50 %)^5

35 046.96/(1+10.50 %)^1+35 046.96/(1+10.50 %)^2 + 35 046.96/(1+10.50 %)^3 VPC con arriendo financiero = S/ 73 825.77

VPC con préstamo = S/ 66 844.99 Opción 4: Financiamiento con bonos Opción 2: Financiamiento con arriendo operativo Se considera un pago por arrendamiento de S/ 35 827.20. Años

1 2 3 4 5

Pagos arriendo A

Economía de impuesto T.A

FP D. imp. A-T.A

35 827.20 35 827.20 35 827.20 35 827.20 35 827.20

10 569.02 10 569.02 10 569.02 10 569.02 10 569.02

25 258.18 25 258.18 25 258.18 25 258.18 25 258.18

Tabla 13. Cuadro de pago de arriendo después de impuestos. Fuente: Elaboración propia.

Consideramos una cuota de intereses de S/ 12 600.00. Capital S/ 120 000.00 al final. Años Cuota Depreciación Interés C

(I+AM)

Monto

Flujo

econ.

Imp. (D+I) Imp. T(D+I) (I+AM) – T(D+I)

12 600.00

24 000.00

12 600.00 36 600.00

10 797.00

1 803.00

12 600.00

24 000.00

12 600.00 36 600.00

10 797.00

1 803.00

12 600.00

24 000.00

12 600.00 36 600.00

10 797.00

1 803.00

12 600.00

24 000.00

12 600.00 36 600.00

10 797.00

1 803.00

132 600.00

24 000.00

12 600.00 36 600.00

10 797.00

121 803.00

120 000.00 Tabla 15. Cuadro de pago con bonos después de impuestos. Fuente: Elaboración propia.

*F. P. D. Imp. = Flujo de pagos después de impuestos

Calculamos el VPC con bonos:

Elaborado el cuadro de pago de arriendo, procedemos a calcular el VPC con arrendamiento.

1 803.00/(1+10.50 %)^1+1 803.00/(1+10.50 %)^2+ 1 803.00/(1+10.50 %)^3+1 803.00 (1+10.50 %)^4+ 121 803.00/(1+10.5 0%)^5

25 258.18/(1+10.50 %)^1+25 258.18/(1+10.50 %)^2+ 25 258.18/(1+10.50 %)^3+25 258.18/(1+10.50 %)^4+ 25 258.18/(1+10.50 %)^5

Luego de evaluar diferentes opciones de financiamiento:

VPC con arriendo operativo = S/ 75 537.41 Opción 3: Financiamiento con arriendo financiero Se considera un pago de arriendo al banco por S/ 49 712.00 Años

1 2 3 4 5

Pagos arriendo A 49 712.00 49 712.00 49 712.00

Economía de impuesto T.A 14 665.04 14.665.04 14 665.04 -

FP D. imp. A-T.A 35 046.96 35 046.96 35 046.96 -

Tabla 14. Cuadro de pago de arriendo financiero después de impuestos. Fuente: Elaboración propia.

VOLUMEN 12, 2018

VPC con bonos = S/ 53 617.38

VPC con arrendamiento operativo

S/ 75 537.41

VPC con arrendamiento financiero

S/ 73 825.77

VPC con préstamo

S/ 66 844.99

VPC con bonos

S/ 53 617.38

Tabla 16. Comparación de opciones de financiamiento. Fuente: Elaboración propia.

Concluimos que la opción de financiamiento con bonos es de menor costo, por lo cual se recomienda financiar la compra del torno STH 500, emitiendo bonos por un valor nominal de S/ 120 000 con plazo de 5 años. Cada bono devengará un interés del 10 % nominal anual pagadero anualmente. La redención se efectuará el 31 de diciembre de 2022. 65

Maquinsa S. A. C. tiene que pagar a un intermediario financiero (bancos o sociedad de agentes de bolsa), el costo de la colocación de bonos en el mercado. El mercado de valores es el gran competidor de la banca, pues la tasa de cupón del bono es más baja que la de un préstamo. RESULTADOS El desarrollo del caso práctico: Maquinsa S. A. C. permitirá al lector comprender, de una manera sencilla, la metodología para evaluar la mejor opción de financiamiento para la compra de un activo. Los conceptos básicos en finanzas y las fórmulas de matemática financiera expuestas en este artículo refuerzan enormemente la comprensión de las metodologías: vida útil económica, costo anual equivalente de las inversiones, costo anual equivalente de los costos de operación y mantenimiento, y la evaluación de costos netos. Se demuestra, en una forma clara, que el financiamiento del torno STH 500 a través de bonos es la opción de financiamiento menos costosa, dado que la empresa establece la tasa nominal anual pagadera del bono.

[5] Bravo, S. (2006). La vida útil de un activo y política de reemplazo de activos. Lima: ESAN. [6] Cantillo, V. (1998). Reemplazo económico de los equipos. Ingeniería & desarrollo. 3(4), 58-63. [7] Chile, Ministerio de Planificación (2005). Metodología de preparación y evaluación de proyectos de reemplazo de equipos. Recuperado de https://bit. ly/2NKmwtP [8] Espinoza, A. (2008). Evaluación de proyectos: Inversiones reales y financieras. Lima: ESAN. [9] Kafka, F. (1995). Evaluación estratégica de proyectos de inversión (2a ed.). Lima: Universidad del Pacifico. [10] Perú, Ministerio de Economía y Finanzas (2012). Directiva N.° 001-2012. Proinversión. Aplicación de metodologías de valuación de activos, empresas y proyectos. [11] Perú, Ministerio de Economía y Finanzas (2012). Normas Internacionales de Contabilidad Oficializadas. NIC 16: Propiedades, Planta y Equipo.

La vida útil económica del torno STH 400 se cumple en el año 2018. A partir de este año, si continuamos trabajando con el mismo equipo, generaremos perdidas económicas a la empresa, dado que se incurrirían en mayores costos de operación y mantenimiento del equipo en los siguientes años.

[12] Sapag, N. (2011). Proyectos de inversión: Formulación y evaluación (2a ed.). Santiago de Chile: Pearson.

CONCLUSIONES

[14] www.economía48.com (2006-2009). La gran enciclopedia de economía. Vida técnica. Recuperado de http://www.economia48.com/

• La metodología de la evaluación de los costos netos es útil para evaluar opciones de financiamiento. No se requiere tener datos de ventas, dado que este método es empleado para evaluar proyectos nuevos, en empresas en marcha. En nuestro caso, la adquisición de un activo fijo. • La decisión de seguir trabajando o no con un equipo depende de la vida útil económica y no de la vida técnica. • La opción de financiamiento con bonos es la de menor costo, dado que la empresa determina la tasa nominal anual. REFERENCIAS [1] Beltrán, A., y Cueva, H. (2009). Evaluación privada de proyectos (2a ed.). Lima: Pearson. [2] Beltrán, A., y Cueva, H. (2013). Evaluación privada de proyectos (3a ed.). Lima: Universidad del Pacífico. [3] Blank, L., y Tarquin, A. (1991). Ingeniería Económica (3a ed.). Bogotá: Mc Graw Hill.

[4] Blank, L., y Tarquin, A. (2012). Ingeniería Económica (7a ed.). México D. F.: Mc Graw Hill.

[13] Sampiere, H. (2014). Metodología de la investigación. México D. F.: Mc Graw Hill.

[15] Zavala, C. (1995). Matemáticas financieras. Arequipa: UCSM. ACERCA DEL AUTOR José Eduardo Rojas Gómez Asesor y consultor de proyectos de inversión pública y privada, con más de 15 años de experiencia en la formulación y evaluación de proyectos públicos y privados. Exconsultor del Banco de Proyectos de la Región Arequipa. Economista por la Universidad Católica Santa María. Magíster en Ingeniería Industrial con mención en Gestión de la Producción por la Universidad Nacional de San Agustín. Conferencista en congresos internacionales y nacionales en proyectos de inversión. Miembro del Project Management Institute (PMI)®, Member ID: 3100459. Actualmente, se desempeña como planner en el Departamento de Estudios Generales de Tecsup. jrojas@tecsup.edu.pe

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Se ha diseñado y construido un prototipo de fermentador de cacao funcional basado en la metodología tradicional usada por los agricultores. Este equipo ha permitido eliminar el daño a las pepas de cacao durante el proceso, ha reducido el tiempo de fermentación y el producto presenta mejores características en tamaño y aroma.

Roberto Delgado, Tecsup / José Lazarte, Tecsup

Diseño de fermentador de cacao automático basado en proceso tradicional Design of Automatic Cocoa Fermenter Based on a Traditional Process RESUMEN

El proceso de fermentación del cacao es crucial para garantizar la calidad del producto y es el dispositivo clave para una fermentación exitosa. En las poblaciones rurales, el proceso de fermentación se realiza con simples dispositivos de madera, lo cual da como resultado un gran consumo de mano de obra con bajas tasas de producción. En este proyecto, recogemos las experiencias de los procedimientos tradicionales utilizados por los artesanos del cacao para diseñar un prototipo que se ajuste a sus necesidades. El diseño del contenedor comienza con la selección adecuada de la madera para que no impregne el producto con aroma o sabor. Además, debemos ser capaces de controlar los parámetros importantes del proceso, como la temperatura y el pH del fermento. Para llevar a cabo un procedimiento de mezcla en el mismo contenedor por medio de varios patrones de movimiento a fin de lograr una reorganización uniforme de las semillas, se evita eliminar manualmente las semillas que generalmente terminan golpeadas y maltratadas, lo que reduce la calidad del producto final. El movimiento también permite mantener las semillas aireadas durante la fermentación. Este se basa en la información de los sensores y la actuación de un motor eléctrico para controlar dicho movimiento. Los pequeños agricultores son responsables de, aproximadamente, el setenta por ciento de la producción mundial total de cacao y la mayor parte de esta producción se produce en áreas de alta biodiversidad. Los ensayos se realizaron sobre la base de este prototipo y el proceso de fermentación se desarrolló con el nuevo diseño. Podemos decir entonces, que los objetivos establecidos para este proyecto son: tener un mejor control de los parámetros de procesamiento, una reducción del trabajo manual, un aumento en la tasa de producción, y mejores ingresos y condiciones de vida de la población rural dedicada a esta actividad económica. En fin, dar mayor valor agregado al producto promoviendo la incorporación de más productores de cacao, incluidas las comunidades nativas.

ABSTRACT

The cocoa fermentation process is a crucial factor to ensure the quality of the product and it is the key device for a successful fermentation. In rural populations, the fermentation process is made with simple wooden devices which results in a lot of hand labor with low production rates. In this project, we collect the experiences of the traditional procedures used by the cocoa artisans to design a prototype that fits their requirements. The design of the container starts with the appropriate selection of the wood so that it does not impregnate the product with aroma or flavor. Also, we should be capable to monitor important parameters of the process such as temperature and pH of the ferment. In order to carry out a mixing procedure in the same container by means of several movement patterns and achieve a uniform rearrangement of the seeds, it is avoided manual removal of the seeds that usually end up beaten and mistreated, thus reducing the quality of the final product. The movement also allows keeping the seeds aerated during fermentation and is based on information from the sensors and the action of an electrical motor to control such movement. Smallholder farmers are responsible for roughly seventy percent of total global cocoa production and most of this production occurs in areas of high biodiversity. Trials were conducted based on this prototype and the process for fermentation was developed with the new design. We can say then that the goals set for this project are to get a better control of the processing parameters, a reduction in hand labor, a raise in production rate and better income and life conditions of rural population dedicated to this economic activity. Finally, to give greater added value to the product, promoting the incorporation of more cocoa farmers, including native communities.

Palabras clave Fermentación de cacao, fermentación en contenedor, semilla de cacao

Key words Cocoa fermentation, container fermentation, cocoa seed.

VOLUMEN 12, 2018

INTRODUCCIÓN

Un proceso de fermentado deficiente reduce la calidad del producto, lo cual trae como consecuencia bajos precios de compra cuando el producto final es comercializado. En el presente trabajo, se ha desarrollado un prototipo de fermentador de cacao basándonos en la metodología tradicional usada por los agricultores que se dedican a este cultivo. El objetivo es diseñar y construir un fermentador de cacao funcional que permita eliminar el daño a las pepas de cacao durante el proceso, que el resultado de la fermentación se realice en menor tiempo y con un producto de mejores características (tamaño, aroma). Esto permitirá dar una alternativa factible y eficiente que mejore el producto final. Se realizó un estudio basado en los procedimientos tradicionales y los requerimientos necesarios para plantear el modelo mecánico del equipo y la definición de los sensores y la electrónica que lo acompaña. El estudio partió desde el diseño del contenedor, la forma de la cavidad interior y exterior, la identificación de las características del motor a usar para el accionamiento mecánico y, finalmente, de la electrónica que se empleó para la toma de datos y los botones de mando del equipo.

La fruta de cacao es una vaina que tiene módulos visibles en los surcos. En su interior, presenta cinco hileras de semillas o almendras cubiertas de pulpa o mucílago, de sabor dulce y agradable aroma [6]. El número de semillas por fruto varía en promedio de 20 a 40, en algunos casos. Excepcionalmente, alcanzan 50 semillas, dependiendo del tamaño de la vaina. La vaina madura entre 5 y 7 meses de la fertilización. Los clones de cacao se clasifican utilizando caracteres de la cápsula. Por ejemplo: A. Color Antes de la madurez, el color de la vaina puede ser verde, rojo violeta y verde parcialmente pigmentado rojo violeta según el clon. El color verde cambia a amarillo y el color rojo violeta cambia a naranja.

Los resultados alcanzados permiten establecer la validez del diseño y la metodología de trabajo planteado. FUNDAMENTOS 1. El cacao y su procesamiento El cacao es una planta nativa de América Central. Desde tiempos inmemoriales, la expansión en la producción y el consumo de chocolate de cacao ha sido la fuente económica de muchas naciones debido a sus múltiples usos. El cultivo del cacao requiere la sombra de árboles especiales, generando un sistema agroforestal que se asemeja al bosque original. Esto ha servido para mantener a muchas familias en los campos de cultivo y en el proceso de transformación en chocolate de cacao. Clasificación taxonómica: Reino

Vegetal

Subreino

Tracheobionta

División

Magnoliophyta

Clase

Magniolopsida

Subclase

Dilleniidae

Orden

Malvales

Familia

Esterculiacea

Subfamilia

Byttnerioideae

Tribu

Theobromeae

Género

Especies

Teobroma cacao L.

Tabla 1. Clasificación taxonómica. Fuente: Elaboración propia.

Figura 1. Tipos de frutas de cacao. Fuente: [6].

B. Tamaño Es variable entre 10 y 30 cm de largo, y de 7 a 12 cm de diámetro. El grosor del caparazón es de 1 a 2 cm. C. Formas Los frutos, por su forma, se clasifican en angoleta, amelonado, cundeamor y calabacillo.

Figura 2. Angoleta, cundeamor, amelonado, calabacillo. Fuente: [6].

D. Semilla La semilla de cacao o almendra tiene forma de frijol, pero varía mucho de forma triangular, ovoide, alargada o redondeada, plana o aplastada con una longitud de 20 a 30 mm, cubierta

con un sabor a pulpa mucilaginosa con sabor agridulce[1]. El proceso de germinación comienza cuando la mazorca alcanza su madurez fisiológica. El peso varía de 2 a 3.7 g dependiendo de la genética de la mazorca.

3. Etapas del procesamiento del cacao A. Cosecha El cacao da producción al tercer o cuarto año de su establecimiento. Todo el año con picos de producción entre abril y junio, y entre noviembre y diciembre.

Figura 3. Forma de la semilla. Fuente: [6].

2. Variedades El cacao es una especie alógama con un 95 % de polinización cruzada. Por genética, se clasifican en tres grupos principales: criollos, forasteros y una mezcla de ellos que se llama trinitarios. A. Cacao criollo Tipo genético de cacao cuyo cultivo se dispersó de México a América Central, de alta calidad y sabor agradable. Ha sido domesticado y adaptado a diferentes áreas. La planta es muy delicada, de baja productividad y susceptible a enfermedades. Se puede distinguir por la arquitectura de un árbol débil, hojas grandes y oscuras, los nuevos brotes son de color verde pálido, estaminodios de color rojo intenso, el tipo de vaina es rústica con una capa fina y forma de cundeamor[2].

Con una buena semilla y aplicando las técnicas apropiadas, puede tomar de 15 a 20 quintales por hectárea[3]. Las vainas toman tiempo para madurar entre 5 y 7 meses, cuando observan en ellas un cambio de color. El corte se hace con mucho cuidado para no dañar el cojinete floral. Las herramientas se usan como halcones y machetes, cortos y afilados. La ruptura de la cápsula se realiza golpeándola con un objeto para eliminar el grano y separar el mucílago. Una práctica tradicional es lavar el grano y secarlo inmediatamente. En este proceso, el cacao pierde calidad. B. La fermentación La fermentación es muy importante para la calidad del cacao. En este proceso, el cacao obtiene el aroma, el sabor y el color característicos del chocolate de la variedad o clon utilizado. La fermentación dura entre 5 y 7 días cuando la temperatura sube hasta 45 grados y el embrión muere. Las pepas o semillas, y la baba o mucilago se colocan en cajas de madera y se mueven una vez al día para tener una fermentación uniforme.

La almendra es blanca, con sabor y aroma a chocolate, superior a cualquier tipo de cacao en el mundo. Tiene una gran demanda en el mercado nacional e internacional.

Figura 4. Cacao criollo, foráneo, trinitarios. Fuente: [6].

B. Cacao forastero o foráneo (amazónica) Originarios de la cuenca del Amazonas, son árboles robustos de hojas grandes y pequeñas, con vainas de tipo amelonado, cáscara dura, gruesas y lisas, almendras aplanadas y pigmentadas, tolerantes a plagas y se adaptan muy bien a diferentes ambientes. El sabor de las almendras es amargo. C. Cacao trinitarios Es el cacao que más se cultiva en América. Se considera como un híbrido natural de los dos primeros tipos de cacao. Por esta razón, presenta una gran variabilidad y es donde ha surgido excelentes genotipos de gran robustez, resistencia a plagas y mayor rendimiento. Trinitarios proviene de Trinidad, Islas de las Antillas Menores, donde los ingleses fundaron un famoso instituto de investigación sobre el cacao, la Imperial College Station.

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Figura 5. Fermentación. Fuente: [6].

C. Secado y embalaje El secado del cacao se realiza en cajas de madera, sacudidores o patios de concreto colocados al sol, o en secadores artificiales como estufas. Con buen sol, el secado dura una semana para tener el 7 a 8 % de humedad en el grano, y es embalado en bolsas de yute. D. Tostado y procesamiento de cacao Con el cacao después de la fermentación y el secado, se llevan a cabo los procesos de tostado, alcalinización y molienda para luego proceder a la producción de chocolate. 71

Las almendras de cacao se fermentan en contenedores especiales, en lugares protegidos y bien ventilados, por un periodo de tres a seis días, dependiendo del tipo de cacao y el área [4]. Las almendras, para fermentar, se revuelven cada veinticuatro horas de un cajón a otro o dentro del mismo cajón, si es que el volumen lo permite, y hasta que las almendras toman un color marrón o chocolate con incrustaciones o rayas pronunciadas. Durante el resto de tiempo, la temperatura aumenta y se estabiliza a 45 ° C. Una fermentación deficiente provoca un color violeta o blanquecino que se observa al dividir las almendras por la mitad. Figura 6. Cacao procesado. Fuente: [6].

4. Proceso artesanal de la fermentación del cacao Los pasos para el procedimiento de fermentación del cacao son los siguientes [7]: A. Triturar Consiste en dividir la vaina y extraer las almendras, que, una vez separadas de la placenta, serán sometidas a fermentación. La rotura de las vainas se realiza con herramientas acondicionadas, especialmente, para este trabajo, como machetes cortos o con trozos de madera para golpear y abrir. Se debe tener cuidado de no dañar las almendras que permanecen unidas a la placenta.

Durante este proceso, los azúcares en el mucílago son fermentados y convertidos en alcohol por las levaduras. Luego, esto se transforma en ácido acético (oxidación) por bacterias acéticas. Dentro de la semilla, ocurren una serie de cambios, tales como la muerte del embrión, el cambio de coloración del violeta al chocolate, cambia del sabor amargo al sabor del chocolate y la separación de los cotiledones de la semilla. Con la muerte del embrión, hay una mayor permeabilidad de las paredes celulares y una producción de jugos celulares. Las enzimas se ponen en contacto con los polifenoles y las proteínas, iniciando luego un proceso de hidrólisis. Este proceso es responsable del cambio del sabor característico del chocolate, transformando la proteína en aminoácidos. De esta forma, la hidrólisis de polifenoles ocurre por enzimas. Método de fermentación de caja

La separación de los granos se hace a mano. El bombardeo se realiza inmediatamente después de romper la mazorca. El tiempo entre el rompimiento y la fermentación no debe exceder las 24 horas. Cuando se termina la cosecha, se determinan varios puntos dentro de la plantación donde las vainas se amontonan, se rompen las cáscaras, y luego las almendras se transportan en cubos o bolsas de plástico a los fermentadores.

Las cajas de madera con perforaciones en el fondo se utilizan para la escorrentía de los jugos. Se pueden colocar en irregularidades (tipo escalera) para facilitar el giro. El tamaño de las cajas depende del volumen de producción para fermentar. Método de la caja de Rohan

Es otro método simple, fácil de operar, económico e ideal para pequeños y medianos productores. La caja de Rohan está hecha de madera con dimensiones de 1.2 m de largo, 0.8 m de ancho y 0.12 m de profundidad. Se coloca una sobre otra, en una cantidad de diez [5]. Con este método, la masa de cacao no se voltea, las cajas cambian sus posiciones cada veinticuatro horas y tienen el doble propósito de fermentar y secar (para cada caja de fermentado se requieren dos para el secado). C. Secado de cacao Es el proceso en el que el grano pierde humedad hasta llevarlo al 6 %, que queda listo para el mercado y/o para almacenarlo. Este proceso se puede hacer al sol o artificialmente. Secado al sol

Figura 7. Extracción de las pepas. Fuente: [6].

B. Fermentación La fermentación es un paso muy importante para tener un cacao de alta calidad, con aroma, sabor y color de chocolate. 72

Es la forma más utilizada y que garantiza una buena calidad de cacao [8], se logra durante 6 a 8 días de sol. Se coloca el cacao en capas finas sobre una plataforma de madera o bambú mate que son materiales que no transmiten sabores u olores extraños. El método de deslizamiento de cajones de madera, con techo, fijo o móvil, es el más eficaz. El modelo a usar depende de la capacidad económica del productor.

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METODOLOGÍA

Definir los requerimientos

1. Diseño de la caja de fermentación En esta parte, definiremos dos matrices que nos permitirán identificar qué requisitos de diseño debe cumplir el prototipo. Requisitos

Alternativa 1

Alternativa 2

Debe contener las semillas de cacao y drenar el jugo.

A través de hendiduras

A través de los hoyos

Debe permitir remover las semillas sin dañarlas.

Manualmente

A través de mecanismos

Debe permitir ventilar las semillas durante la fermentación.

A través de ranuras y agujeros arreglados

A través de hendiduras y agujeros muebles

Debe mantener la temperatura durante la fermentación.

Contenedor cerrado

Contenedor con aberturas

Debe permitir rotar o mover para ventilar las semillas mientras las agita al mismo tiempo.

Girar el contenedor

Voltear el contenedor

Prueba de campo

Estudio de campo

Diseño y construcción del prototipo

Construcción del prototipo Figura 8. Estrategia seguida para el diseño del fermentador. Fuente: Elaboración propia.

Los planos para el corte y el modelo ensamblado se muestran en la figura 9 y la figura 10.

Figura 9. Planos para corte láser. Fuente: Elaboración propia.

Tabla 2. Requisitos de movimiento y ventilación. Fuente: Elaboración propia.

Se definieron dos alternativas para cada requerimiento [9], de entre las cuales se seleccionó una, considerando la simplicidad mecánica y el menor uso de materiales. Requisitos

Alternativa 1 Alternativa 2

Contenedor La temperatura debe mantenerse cerrado durante la fermentación.

A través del calentador y ventilador

El jugo de las semillas debe A través de drenarse continuamente durante Por gravedad mecanismos la fermentación. El mucílago se debe agitar fácilmente.

Manualmente

A través de mecanismos

El PH debe ser mensurable durante el proceso.

Manualmente

Automáticamente

Tabla 3. Requisitos del proceso de fermentación. Fuente: Elaboración propia.

Se usó una estrategia de trabajo con la que se obtuvieron los requerimientos y con ello se realizó el diseño mecánico en 3D del fermentador. La figura 8 muestra el procedimiento seguido.

Figura 10. Modelo del fermentador de cacao. Fuente: Elaboración propia.

2. Diseño de la etapa electrónica La etapa electrónica está compuesta por sensores, un controlador y un actuador. El diagrama de conexión se muestra en la figura 11. Se ha incluido un presentador gráfico o pantalla que nos muestre los valores de la temperatura, pH, así como los tres estados operativos del equipo.

Los planos resultantes para el proceso de prototipado y maquetizado se muestran en la figura 9. Este primer prototipo se realizó en acrílico de 4 mm transparente para observar cómo encajaban todas las piezas.

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Características: Voltaje de calentamiento: 5 ± 0.2 V (AC · DC) Corriente de trabajo: 5-10 mA Rango de concentración detectable: PH0-14 Detección del rango de temperatura: 0-80 °C Tiempo de respuesta: ≤ 5 s Tiempo de estabilización: ≤60 s Figura 11. Esquema de conexiones. Fuente: Elaboración propia.

Los dos tipos de sensores utilizados fueron el sensor de temperatura DS18B20 y el medidor de control del monitoreo del módulo del sensor del regulador de detección del valor líquido PH 0-14 + Sonda de electrodo BNC pH. La siguiente imagen muestra ambos sensores.

Componente de energía: ≤ 5 W Temperatura de trabajo: -10 ~ 50 °C (temperatura nominal de 20 °C) Humedad: 95 % HR (humedad nominal del 65 % de humedad relativa) Tamaño del módulo: 42 mm × 32 mm × 20 mm Salida: salida de señal de voltaje analógico Con 4 pcs agujeros de montaje M3 Tabla 4. Características del sensor de pH. Fuente: Elaboración propia.

Después de usar el sensor, necesita ser calibrado de la siguiente manera: a. Hay dos potenciómetros en el circuito. El que está más cerca del conector BNC de la sonda es el que regula el desplazamiento, el otro mide el límite de pH. Figura 12. Sensor de PH y de temperatura. Fuente: Elaboración propia.

El sensor de temperatura es un dispositivo electrónico que funciona como termómetro y tiene una alta precisión en un amplio rango (precisión ± 0.5 °C en el rango de -10 °C a +85 °C), lo que significa que el rango de trabajo es de -55 °C a +125 °C). La forma de conectarse debe ser una resistencia pullup de, aproximadamente, 5 K en todos los casos. También podemos usar varios sensores y recopilar información de todos ellos; en nuestro caso, usaré dos. La figura 13 muestra cómo se conectaron más de 2 sensores.

b. Desplazamiento: El rango promedio de la sonda oscila entre los valores negativos y positivos. El 0 representa un pH de 7.0. Para poder usarlo con Arduino, este circuito agrega un valor de compensación al valor medido por la sonda. De esta forma, el ADC solo tendrá que tomar muestras de valores de voltaje positivo. Por lo tanto, forzaremos un pH de 7.0 desconectando la sonda del circuito y cortocircuitando la parte interna del conector BNC con el exterior. Con un multímetro, medimos el valor Po pin y ajustamos el potenciómetro para que sea 2.5 V. c. Límite de pH: Este potenciómetro es para establecer un valor límite del circuito del sensor de pH que genera que el led rojo se encienda y que la señal Pin se active.

Figura 13. Esquema de conexión para varios sensores de temperatura. Fuente: Elaboración propia.

Las características del sensor de pH se muestran en la tabla 4. El pH es una medida de acidez o alcalinidad de una solución, la escala de pH varía de 0 a 14. El pH indica la concentración de iones de hidrógeno [H] + presentes en ciertas soluciones. Se puede cuantificar con precisión mediante un sensor que mide la diferencia de potencial entre dos electrodos: un electrodo de referencia (plata o cloruro de plata) y un electrodo de vidrio que es sensible al ion de hidrógeno. 74

Figura 14. Interfaz del sensor de pH con conexión BNC. Fuente: Elaboración propia.

Para la implementación del programa, usamos un Arduino Mega, donde cargamos el programa de medición de parámetros del sensor.

La estructura del programa se muestra en la figura 15.

La fuerza requerida para mover el contenedor, como se muestra en la figura por medio de un dinamómetro, fue de 200 g. Con estos datos, estimamos la fuerza requerida en la polea de menor diámetro y la cantidad de torque en el motor.

Figura 15. Diagrama de bloques del programa. Fuente: Elaboración propia.

3. Diseño del accionamiento Para el diseño del motor y su controlador, modificamos la estructura básica utilizada en la primera parte. La figura 16 muestra el modelo mejorado en el que se ha simplificado la mecánica del acoplamiento del motor.

Figura 17. Medida de torque en la polea. Fuente: Elaboración propia.

Teniendo en cuenta la distribución de fuerzas en la figura y utilizando los principios de la física, la primera y la segunda ley de Newton, se obtienen para que la mínima fuerza necesaria para romper la inercia del fermentador sea:

Figura 16. Diseño mejorado del fermentador. Fuente: Elaboración propia.

Sin embargo, para estimar las características del motor, es necesario calcular primero el par mínimo que se debe lograr para mover el fermentador con el producto dentro. Para estimar el nivel de torque requerido en el motor, medimos y determinamos el peso aproximado y el volumen de un grano de cacao. Luego, determinamos el volumen aproximado del contenedor que no debe incluir las semillas, ya que estas deben eliminarse en el proceso. Con base en esto, se determina la cantidad de semillas aproximadas que se utilizarán y su valor aproximado (Tabla 5). Peso promedio de la cáscara de cacao (g) Volumen aproximado de guijarro de cacao (cc) Volúmen del contenedor (cc) Número de frutos que se requerirán en cada relleno (3/4 del total) Peso aproximado de las semillas (g) Tabla 5. Peso aproximado a moverse. Fuente: Elaboración propia.

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3.2478 4.5 1770.2916 7.71 1277.68

Figura 18. Diagrama de fuerzas en las poleas del contenedor. Fuente: Elaboración propia.

En el diagrama que se muestra, R1 mide 7.5 cm; R2, 2.5 cm; L1, 14 cm; Rx es el radio al centro de gravedad igual a 3,18 cm. Asimismo, F1 representa la fuerza de transmisión a la polea del motor, F2 es la fuerza opuesta en el peor caso, cuando las semillas están a 90 grados de perpendicularidad considerando la ubicación de esta fuerza en el centro de gravedad de la mitad del cilindro. F3, finalmente, es la fuerza mínima para romper la inercia del contenedor medido previamente. Usando la ecuación:

∑ F. d = 0

(1)

F1.R1 = F2.RX + F3.R1 (2) 75

La fuerza F1 es igual a 741.73 gramos de fuerza. Aplicando al motor el torque requerido para el radio R2, resulta en 1854.34 gramos de fuerza, moviéndose a unidades de newton tenemos 1818.48mNm.

Los valores de las dimensiones son L1 = 19 cm, L2 = 19.3 cm, L3 = 11.5 cm, R1 = 4 cm, R2 = 6.5 cm, φ1 = 78.78°. La figura 21 muestra esta parte del equipo.

El motor usado tiene las siguientes características: DC24V, 1.18 Nm, 30 +/- 4 rpm.

Figura 21. Implementación del transmisor de movimiento. Fuente: Elaboración propia. Figura 19. Motor utilizado en el prototipo. Fuente: Elaboración propia.

La idea de utilizar un cinturón de tracción tenía el problema del deslizamiento cuando el movimiento alcanzaba las coronas debido a la inercia de la caja de fermentación. La acción de movimiento final se lleva a cabo mediante un modelo basado en una palanca para evitar los problemas de deslizamiento de la correa en la polea. La palanca de la palanca se extendió para aumentar el nivel de fuerza y el ángulo de movimiento.

4. Implementación final del equipo Para llevar a cabo el montaje final del equipo, se relacionaron las pruebas individuales de la parte mecánica, los sensores y la parte electrónica. Después de que se llevó a cabo el ensamblaje, la interfaz de usuario tiene una pantalla que muestra la temperatura del interior y la cámara de fermentación, la lectura del pH resultante del jugo que filtra de las semillas durante el proceso y un teclado que le permite vivir en dos velocidades diferentes. La figura 22 muestra el equipo ensamblado.

La figura 20 presenta los detalles de las dimensiones que se lograron en la solución al problema del deslizamiento en las poleas.

Figura 22. Prototipo del fermentador de cacao. Fuente: Elaboración propia.

Figura 20. Diagrama de transmisión de movimiento. Fuente: Elaboración propia.

Las funciones de control del panel de apertura son las siguientes: (ON / OFF) encendido y apagado, (MODO 1) giro alternado a baja velocidad, (MODO 2) rotación continua, (MODO 3) giro alternado a alta velocidad, (MODO 4) detener rotación, (T° 1) temperatura interior, temperatura exterior (T° 2), valor pH (PH) e indicador MODO del modo de trabajo.

Fases del proceso de fermentación a seguir: Día 1: La temperatura dentro del fermentador debe variar de 26 a 28 °C en el día y de 20 a 24 °C en la noche. El pH permanece constante a, aproximadamente, -6.00. Se realiza un movimiento suave y constante.

Figura 23. Funciones de control. Fuente: Elaboración propia.

RESULTADOS La calidad del cacao para la producción de chocolate se basa en la genética de la planta. Sin embargo, para obtener un producto de calidad, se consideran dos procesos: 1) la siembra y 2) el proceso de fermentación. Durante la fermentación, se generan dos etapas: 1) el desarrollo de bacterias de ácido láctico (BAL) y 2) el desarrollo de bacterias de ácido acético (AAB). Casi la mitad del cacao en el mundo se fermenta en cajas de madera de varios tamaños, la otra mitad en métodos más tradicionales. Para las pruebas realizadas con el fermentador, se utilizó el cacao de tipo criollo y un peso aproximado de 410 gramos.

Figura 25. Inicio de la fermentación. Fuente: Elaboración propia.

Día 2: Al final del día 2, la temperatura oscila entre 33 y 34 °C. El valor del pH permanece constante a aproximadamente 4.70. La acción a realizar es un movimiento suave y constante.

Figura 26. Cacao con dos días de fermentación. Fuente: Elaboración propia.

Día 3: Al final del tercer día, la temperatura oscila entre 33 y 34 °C, el pH casi alcanza 3.37. Un movimiento más fuerte comienza. Días 4 y 5: La temperatura se mantiene entre, aproximadamente, 35 y 40 °C. De nuevo, se realiza un movimiento suave y el pH disminuye a 3.75. Día 6: La temperatura se mantiene entre 25 a 28 °C. De nuevo, se realiza un movimiento suave y el pH disminuye a 3.75. Un movimiento más fuerte comienza.

Figura 24. Materiales usados en las pruebas. Fuente: Elaboración propia.

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Después de seis días de fermentación, el secado se llevó a cabo en un ambiente cuya temperatura estuvo entre 35 y 42 °C, lo que permitió un secado uniforme, obteniéndose el producto final mostrado. 77

Figura 27. Pepas de cacao secos. Fuente: Elaboración propia.

CONCLUSIONES • El proceso de purificación funcionó, y se obtuvo una abundante escorrentía de jugo, lo que nos permitió medir fácilmente el pH, que en un valor alto de -6 aproximadamente.

• Existe una dependencia entre el nivel de pH y el calor que mantiene la fermentación. Es importante que la temperatura tenga un mínimo de 30 ° C y no más de 45 ° C. De lo contrario, el resultado genera un producto con poco aroma y un color muy oscuro y de sabor algo ácido.

• A medida que la temperatura aumentó, la cantidad de jugo se redujo y se hizo más espesa con una consistencia más densa, y el pH se redujo a aproximadamente 3,37. • Se confirma que el movimiento de balanceo permite una correcta ventilación, por lo que el mecanismo es adecuado para el requerimiento del proceso de fermentado. • El resultado final tiene un aroma muy fuerte y un color atractivo como se muestra en la figura 28 lo que permite concluir que el equipo es adecuado para llevar a cabo el proceso de fermentación con éxito.

Figura 28. Cacao fermentado y seco. Fuente: Elaboración propia.

REFERENCIAS [1]

Adeyeye, E., Akinyeye, R., Ogunlade, I., Olaofe, O., y Boluwade, J. (2010). Effect of farm and industrial processing on the amino acid profile of cocoa beans. Food Chemistry. 118(2), 357–363.

[2] Bentley, J., Boa, E., y Stonehouse, J. (2004). Neighbor trees: shade, intercropping, and cacao in Ecuador. Human Ecology. 32(2), 241–270. [3] Dubón. A. (2016). 10 consejos para lograr cacao de calidad. La Lima, Cortés, Honduras, C. A.: Centro de Comunicación Agrícola (FHIA). [4] Guevara, J. (2018). A Step-by-Step Explanation of Cacao Harvesting & Processing. Perfect Daily Grind. Recuperado de https://www.perfectdailygrind. com /2018/02 /step-step-explanation-cacaoharvesting-processing/ [5] Institut africain pour le développement économique et social (INADES) y FAO. (1970). Cocoa. Recuperado de http://www.fao.org/docrep/006/ ad220e/AD220E00.htm#TOC

ACERCA DE LOS AUTORES Sixto Roberto Delgado Valdivia Ingeniero electrónico egresado de la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI). Comenzó su carrera profesional en ITINTEC como ingeniero de diseño en proyectos de investigación de tecnología industrial y también como evaluador de patentes de invención. Más tarde, asumió funciones como supervisor de proyectos de investigación, presidente del Comité de Normalización y jefe de la oficina de ingeniería del departamento de Electrónica de ITINTEC. Trabajó en Entel Perú y empresas privadas en la implementación de proyectos de telecomunicaciones e implementación de laboratorios y talleres para la construcción de equipos electrónicos. Actualmente, es coordinador de Fab Lab y coordinador de la carrera de Diseño Industrial en Tecsup. Graduado del diploma de la Academia FAB en el 2012. Es instructor, evaluador global y mentor de la Academia Fab. rdelgado@tecsup.edu.pe José Jacob Lazarte Rivera

[6] INTA Nicaragua. (2009). El Cacao. (12). [7] INTA Nicaragua. (2009). El Cacao. (4). [8] Kostinek, M., et al. (2008). Diversity of predominant lactic acid bacteria associated with cocoa fermentation in Nigeria. Curr. Microbiol. 56(4). 306–314. [9] Lefeber, T., Gobert, W. Vrancken, G., Camu, N., y De Vuyst, L. (2011). Dynamics and species diversity of communities of lactic acid bacteria and acetic acid bacteria during spontaneous cocoa bean fermentations in vessels. Food Microbiol. 28, 457–464.

Ingeniero electrónico de la Universidad Nacional de Ingeniería. Ha participado en programas de capacitación en aplicaciones de electrónica industrial en el Instituto Politécnico de Incheon en Corea del Sur. Graduado del programa Fab Academy en 2014 en fabricación digital, tiene la certificación Train the Trainer otorgada por Bosch Rexroth de Alemania en Automation Systems and Industry 4.0. Tiene experiencia en mantenimiento electrónico y desarrollo de soluciones en el campo de la electrónica industrial, como consultor para empresas locales. Profesor a tiempo completo en Tecsup, enseña cursos relacionados con electrónica analógica y digital. Asimismo, está a cargo del Laboratorio de Electrónica de Potencia en el departamento de Electricidad y Electrónica de Tecsup. También imparte cursos de especialización y diplomas para profesionales de la industria, especialmente, en las áreas de control electrónico de potencia y control automático de motores eléctricos. jlazarte@tecsup.edu.pe

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Se analizaron los resultados de pruebas de tracciรณn en las cuerdas de un puente colgante fabricado en ichu y cuerdas a base de agave, con el objetivo de caracterizar la resistencia mecรกnica en diferentes condiciones: fibras secas y fibras humedecidas en agua.

César Nunura, UTEC / César Lecaros, Tecsup / Roberto Delgado, Tecsup

Caracterización de cuerdas de ichu y de agave usados en estructuras colgantes Characterization of Ichu and Agave Ropes used in Hanging Structures

RESUMEN

Se aborda un estudio sobre la resistencia mecánica de materiales usados en la fabricación de puentes colgantes empleados en la región andina. Uno de ellos es el pasto del Altiplano, llamado ichu (Stipa ichu). El otro es una fibra manufacturada de uso comercial. Se realizaron ensayos de tracción en ambas para calcular la fuerza de rotura y la resistencia mecánica. Se muestran los resultados en diferentes condiciones: fibras secas y fibras encharcadas con agua, con el propósito de correlacionar la resistencia mecánica con la humedad que puede contener los materiales en condiciones de trabajo.

INTRODUCCIÓN

Los relatos históricos escritos por los primeros europeos en los Andes mencionaron los puentes colgantes tejidos en fibras. Estas estructuras, aparentemente delicadas, eran una novedad para ellos, y al cruzar las primeras veces, su comportamiento oscilante les causaba considerable temor. Los puentes colgantes impresionaron casi a todo el mundo, tanto a los europeos como a los nativos andinos. Diversos materiales fueron usados en su elaboración como el sauce (Salix humboldtiana), chilca (Baccharis spp), chuchau (Fourcoroya andina), entre otros materiales naturales [5]. La figura 1 muestra un puente colgante fabricado en fibra de ichu en la ciudad del Cusco en Perú y que, actualmente, se encuentra en las instalaciones de la Tecsup Sede Centro.

ABSTRACT

It is addressed a study on the mechanical strength of materials used in the manufacture of hanging bridges applied in the Andean regions. One of them is the grass of the Andean regions called Ichu (Stipa Ichu). The other is a manufactured fiber for commercial use. There were performed traction tests on both fibers to calculate the breaking strength and mechanical strength. The results are shown in different conditions: dry fibers and fibers soaked with water, in order to correlate the mechanical resistance with the moisture that is able to contain the materials in working conditions.

Figura 1. Puente colgante fabricado en ichu. Fuente: Elaboración propia.

Palabras clave Resistencia mecánica, cuerdas de fibra, ichu, agave. Tracción. Altiplano, Estructuras colgantes.

Key words Mechanical strength, fiber string, ichu, agave, fiber ropes, hanging structures, traction, Andean region

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En este trabajo, serán analizados los resultados de pruebas de tracción en las cuerdas de un puente colgante fabricado en ichu y cuerdas a base de agave, ambos procedentes de los andes peruanos. El objetivo es caracterizar la resistencia mecánica de las cuerdas en diferentes condiciones: fibras secas y fibras humedecidas en agua. Los resultados correlacionan resistencia a la tracción para seleccionar otras alternativas para la construcción de futuras estructuras colgantes, como los puentes en cuestión. FUNDAMENTOS

El uso de fibras naturales locales y baratas es una gran alternativa, especialmente, para actualizar o renovar construcciones rudimentarias. En las zonas situadas por encima de los 3 000 metros sobre el nivel del mar, las fibras naturales son vastas y baratas (~0.15 USD/kg), sobre todo, las fibras denominadas ichu [3]. La creciente sensibilidad hacia la contaminación ambiental y las recientes leyes sobre la protección del medioambiente han generado una atención creciente a los llamados biocompuestos, es decir, a materiales compuestos ecológicos o renovables, obtenidos a partir de biopolímeros reforzados con fibras naturales. Pese la contribución de diversos trabajos publicados en la literatura, centrada en biocompuestos reforzados por fibras de agave, todavía se encuentran en fase de estudio para la implementación de biocompuestos de alto rendimiento para aplicaciones semiestructurales y estructurales [6]. Por otro lado, estudios experimentales de biocompuestos de alto rendimiento a base de resina epoxi reforzados con fibras de agave, así como la implementación sucesiva de modelos micromecánicos confiables que se pueden utilizar en la fase de diseño [7]. Se explica que el uso de estas fibras permite al usuario obtener biocompuestos renovables de alto rendimiento caracterizados por una alta rigidez y resistencia.

Figura 2. Probetas del mismo material, más geométricamente diferentes. Las curvas de carga vs. longitud se muestran diferentes. Fuente: Adaptado de [4].

Sin embargo, el algoritmo para calcular la resistencia convencional es dado por lo siguiente: (1) Donde:

F A

: : :

Es la resistencia a la tracción convencional (MPa). Es la carga aplicada (N). Es la sección transversal inicial de la probeta.

Ensayos mecánicos en cuerdas fueron reportados bajo el uso de la norma ASTM D2256. Resultados de trabajos para resistencia mecánica en cuerdas lisas de material sintético con diámetro de 5 mm [1] son mostrados en la figura 3. Se observa que la gráfica describe el mecanismo de rotura de la cuerda: aproximadamente a 3,7 kN ocurre la rotura del primer torón. Alrededor de 1,2 kN ocurre la rotura del segundo torón y así sucesivamente si hubiese más torones en la cuerda.

METODOLOGÍA

En materia de resistencia mecánica, durante un ensayo de tracción, se debe recordar que la carga aplicada sobre el área de una sección transversal de un cuerpo de prueba se refleja en la tensión a la cual tal cuerpo queda expuesto, y ese parámetro deberá ser constante para el mismo material y para cualquier área de la sección tranversal utilizada. Sin embargo, debido a las mayores dificultades operacionales en determinarse valores reales (instantáneos), se convino usar el área inicial para la obtención de la tensión convencional en cualquier punto del ensayo [4]. La figura 2 muestra la relación de carga aplicada en función del área transversal. La misma es directamente proporcional.

Figura 3. Ensayo de tracción de cuerda sintética. Fuente: [1].

Para los análisis, fueron utilizados materiales procedentes del puente colgante mostrado en la figura 1 y de la cuerda de agave. La figura 4 muestra las probetas para los ensayos mecánicos de tracción. La muestra de la izquierda corresponde al agave (5 torones) y la muestra de la derecha corresponde a la fibra de ichu (2 torones).

Los ensayos fueron realizados en las instalaciones del Laboratorio de Materiales de Tecsup Sede Centro. Fue utilizada una máquina electromecánica Zwick Roell con capacidad máxima de 50 kN de carga. La figura 6 muestra una probeta in situ, en (a) la configuración ensayo, en (b) la fibra luego de la rotura. Los datos fueron adquiridos en el software Text Expert II que acompaña al equipo en mención. La velocidad de ensayo utilizada fue de 150 mm/min. (observando la norma ASTM D2256-02) [7]. Figura 4. Muestras para ensayo de tracción. Fuente: Elaboración propia.

Las muestras fueron cortadas en longitudes iguales y se tomó un diámetro promedio en cada torón para calcular la resistencia mecánica convencional. La tabla 1 presenta las dimensiones de las probetas para ser sometidas al ensayo de tracción.

Material

Área transversal promedio (mm2)

Longitud entre mordazas (mm)

Ichu seco y húmedo

25,12

Agave seco y húmedo

29,70

(a)

Tabla 1. Dimensiones iniciales de las probetas antes del ensayo de tracción. Fuente: Elaboración propia.

Se realizaron los ensayos en dos tipos de condiciones: cuerdas secas y húmedas. Estas últimas fueron sumergidas, parcialmente, en agua potable durante 10 minutos [2], con el propósito de simular una situación de humedad extrema. En condiciones normales, un puente colgante en los Andes peruanos está sometido a efectos del clima como la lluvia. Se desea verificar el comportamiento de la cuerda en condiciones semejantes. La figura 5 muestra la preparación de la fibra húmeda antes del ensayo.

(b) Figura 5. Ensayo de tracción en fibra. Fuente: Elaboración propia.

RESULTADOS A. Ensayos de tracción en ichu En la figura 6, se muestran las curvas de carga vs. longitud de fibras de ichu. En la figura 6(a), se presentan los resultados de las cuerdas en seco. En la figura 6(b), se muestran los resultados de las fibras húmedas. Se observa que las fibras húmedas presentan un incremento de 22.38 % de la resistencia mecánica en tales condiciones de ensayo. B. Ensayos de tracción en agave En la figura 7, se muestran las curvas de carga vs. longitud de cuerdas de agave. En la figura 7(a), se presentan los resultados de las cuerdas es seco. En la figura 7(b), se muestran los resultados de las cuerdas húmedas. Se observa que las últimas presentan una reducción de 25.89 % de la resistencia mecánica en tales condiciones de ensayo. Figura 6. Muestras para ensayo húmedo. Fuente: Elaboración propia.

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C. Resistencia mecánica La tabla 2 muestra los valores de resistencia mecánica calculados (Resultados por cada muestra y el promedio). Como las fibras de ichu y de agave poseen diferentes áreas, se estipula presentar los resultados como máxima resistencia a la tracción.

Material

Seco (MPa)

Ichu

30,93 28,29 26,23

Agave

148,86 130,17 141,64

Promedio (MPa)

28,48

Húmedo (MPa)

Promedio (MPa)

33,23 36,48 32,33

34,01

85,30 116,80 109,65

140,20

103,91

Tabla 2. Resistencia mecánica de las fibras ensayadas. Fuente: Elaboración propia. 160 140

Ensayos de tracción en Fibras Naturales ASTM D2256-02

Ágave

Figura 6. Resultados del ensayo de tracción en fibras de ichu. Fuente: Elaboración propia.

Resistencia (MPa)

120 100 80 60

Ichu

40 20 0

Material Fibra Húmeda

Fibra Seca

Figura 8. Correlación entre el efecto de la humedad y la resistencia mecánica. Fuente: Elaboración propia.

D. Humedad en las muestras La masa de agua que fue absorbida tanto por las cuerdas de agave como ichu se observa en la tabla 3. Se midió la masa de las muestras antes y después del contacto con el agua durante 10 minutos conforme fue mostrado en la figura 5.

Figura 7. Resultados del ensayo de tracción en fibras de agave. Fuente: Elaboración propia.

Material

Seco (gramos)

Húmedo (gramos)

Aumento (%)

Promedio (%)

Ichu (2 torones)

4,50 5,12 4,69

9,10 10,23 10,11

49,45 50,04 46,38

48,61

Agave (5 torones)

5,97 6,60 6,32

13,08 14,94 13,87

45,64 44,17 45,56

45,12

Tabla 3. Masa en gramos de las fibras ensayadas. Fuente: Elaboración propia.

CONCLUSIONES

• Las cuerdas de agave presentaron mayor resistencia mecánica, tanto secas como húmedas, al ser traccionadas en comparación a las fibras de ichu. • La humedad disminuye la resistencia de las cuerdas de agave. Dependerá también del porcentaje de humedad contenido en las fibras. Por otro lado, la humedad incrementa la resistencia de las cuerdas de ichu. Se observa un incremento de 46,8 % en aumento de masa como promedio en todas las cuerdas ensayadas. • Es necesario evaluar la cuerda de agave expuesta a la intemperie. De esa manera se podrán comparar los resultados con los obtenidos en cuerdas de ichu, pues el puente colgante ha soportado los efectos del sol, la lluvia, el viento, entre otros. REFERENCIAS [1] Aldazabal, J. (2007). Resistencia a tracción de cuerdas anudadas. Anales de la Mecánica de Fractura, 2, 563- 566. [2] ASTM Standard D2256. (2002). Standard Test Method for Tensile Properties of Yarns by the SingleStrand Method. American Society for Testing and Materials. [3] Charca, S. (2015). Assessment of Ichu fibers as non-expensive thermal insulation system for the Andean regions. Energy and Buildings, 118. 55-60. [4] Garcia, A., Spim, J., y Santos, C. A. (2012). Ensaios dos Materiais. (2a ed.). Rio de Janeiro: LTC. [5] Hyslop, J. (2010). Qhapac Ñan: El Sistema Vial Incaico. (2a ed.). Lima: Petróleos del Perú. [6] Zuccarello, B. (2017). Toward high performance renewable agave reinforced biocomposites: Optimization of fiber performance and fiber-matrix adhesion analysis. Composites Part B: Engineering, 122. 109-120. [7] Zuccarello, B. (2017). Experimental analysis and micromechanical models of high performance renewable agave reinforced biocomposites. Composites Part B: Engineering, 119. 141-152. AGRADECIMIENTOS

Al Arquitecto Walter Gonzales Arnao, docente investigador de la Facultad de Arquitectura de la Universidad Nacional de Ingeniería, quien nos motivo a realizar este estudio de las cuerdas del modelo de puente colgante que mando

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a elaborar en el marco del proyecto IGI-UNI, «Instalación de puente colgante con tecnología digital» y al Ingeniero César Cruz Gutiérrez, docente investigador de la Facultad de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad de San Martín de Porres quien nos proporcionó datos sobre el proceso tradicional de tejido realizado por los artesanos tejedores del distrito de Quehue, provincia de Canas, Cuzco. ACERCA DE LOS AUTORES César R. Nunura Es doctor en Ingeniería y Tecnología de Materiales por la Pontificia Universidad Católica de Río Grande del Sur (PUCRS, Brasil). Posee maestría en Ingeniería de Procesos de Fabricación por la Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS, Brasil). Es graduado en Ingeniería Mecánica titulado por la Pontificia Universidad Católica de Río Grande del Sur (PUCRS, Brasil). Tiene experiencia en el área de análisis numérico en transferencia de calor, ciencia de los materiales y metalurgia física. Actualmente, es profesor de la Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas (UPC) y de la Universidad de Ingeniería y Tecnología (UTEC). cnunura@utec.edu.pe César Lecaros Posee estudios de maestría en Ingeniería y Ciencias de los Materiales por la Pontificia Universidad Católica del Perú. Es ingeniero mecánico por la Universidad Nacional de Ingeniería, con una especialización en Materiales de Ingeniería. Tiene una especialización en Automatización de la Producción en Senai (Brasil). Es especialista en metrología, para lo cual ha seguido capacitaciones en México y Brasil. Forma parte de la American Society of Mechanical Engineers (ASME). clecaros@tecsup.edu.pe Sixto Roberto Delgado Valdivia Ingeniero electrónico egresado de la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI). Comenzó su carrera profesional en ITINTEC como ingeniero de diseño en proyectos de investigación de tecnología industrial y también como evaluador de patentes de invención. Más tarde, asumió funciones como supervisor de proyectos de investigación, presidente del Comité de Normalización y jefe de la oficina de ingeniería del departamento de Electrónica de ITINTEC. Trabajó en Entel Perú y empresas privadas en la implementación de proyectos de telecomunicaciones e implementación de laboratorios y talleres para la construcción de equipos electrónicos. Actualmente, es coordinador de Fab Lab Tecsup y coordinador de la carrera de Diseño Industrial en Tecsup. Graduado del diploma de la Academia FAB en el año 2012, es instructor, evaluador global y mentor de la Academia Fab. rdelgado@tecsup.edu.pe

El desarrollo tecnológico incluye un software que permite reenviar la información y presentar estadísticas respecto a los eventos o capturas que suceden durante el año.

Iván Jeri, Control S. A. C. / Alfredo Rodríguez, Tecsup / Natalie Reynaga, Control S. A. C. / Jéssica Villar, Control S. A. C.

Sistema electrónico de alerta y captura de roedores para el sector agroindustrial Alert and Capture of Rodents Electronic System for the Agro-Industrial Sector RESUMEN

ABSTRACT

En el Perú, el control de roedores requiere mucho tiempo y esfuerzo del controlador de plagas. Una empresa agroindustrial coloca entre 50 y 200 dispositivos, que se verifican periódicamente. A veces, se encuentran roedores en estado de putrefacción con alto riesgo de contaminación.

In Peru, rodent control requires a lot of time and effort from the pest controller. An agro-industrial company puts in place between 50 to 200 devices, which are checked periodically. Sometimes rodents are found in a state of putrefaction with a high risk of contamination.

El objetivo es desarrollar un método de desratización permanente (24 horas / 7 días) que reemplace a la desratización «tradicional».

The objective is to develop a permanent rat extermination method (24 hours / 7 days) in substitution of the «traditional» method.

Por ello se desarrolló un sistema de control inteligente, que envía alertas ante la presencia o la captura de un roedor en los dispositivos, sea mediante un mensaje de texto o correo electrónico, lo que permite una rápida intervención; asimismo se cuenta con un software que registra todas las capturas y eventos en los dispositivos. El proyecto se desarrolló desde marzo hasta diciembre de 2017. En la fase de laboratorio, se diseñaron y ensamblaron los prototipos 1, 2 y 3, posteriormente, se incluyó el prototipo 4, importado, para comparación con los anteriores. Las pruebas se hicieron en la empresa Control S. A. C., en La Victoria, Lima. Los prototipos con mayor eficacia en el envío de las comunicaciones fueron los prototipos 1 y 4 con un 100 % y 95.76 % de eficacia, respectivamente. Los prototipos seleccionados pasaron a la fase de campo que se realizó en tres empresas del sector agroindustrial, ubicadas en el Callao y Lurín. La eficacia promedio de los prototipos 1 y 4 fueron de 88.31 % y 90.53 %, respectivamente. El análisis económico demostró que el prototipo 1 resultó ser 24.3 % más económico que el prototipo 4. Ambos presentaron mayor viabilidad comercial para el mercado nacional, teniéndose en cuenta que el primero trabaja con red WiFi, mientras que el segundo con mensajería de texto (alternancia en el portafolio comercial de la empresa). Durante la ejecución del proyecto, se logró un monitoreo continuo para el control de roedores (24 horas / 7 días).

For this reason, a smart control system was developed, which sends alerts to the presence or capture of a rodent in the devices, either by means of a text message or email message, allowing a quick intervention; it counts on also with a software package that records all the captures and events in the devices. The project was developed from March to December 2017. In the laboratory phase, the prototypes 1, 2 and 3 were designed and assembled; later a prototype 4, imported, was included for comparison purposes with the previous ones. The tests were carried out at Control SAC., in La Victoria, Lima. Prototypes with the highest efficiency in sending communications were prototype 1 and 4 with 100% and 95.76% efficiency, respectively. The selected prototypes went to the field phase, which was carried out in three companies of the agro-industrial sector, located in Callao and Lurin. The average efficiency of prototypes 1 and 4 were 88.31% and 90.53%, respectively. The economic analysis showed us that prototype 1 turned out to be 24.3% cheaper than prototype 4. Both prototypes showed greater commercial viability for the local market, taking into account that the first works with a WiFi network, while the second with text messaging (alternation in the commercial portfolio of the company). During the developing of the project, it was achieved a continuous monitoring for the control of rodents (24 hours / 7 days).

Palabras clave Sensores, plagas, industria, sistema electrónico, roedores, WiFi, software.

Key words Sensors, pests, industry, electronic system, rodents, WiFi, software.

VOLUMEN 12, 2018

INTRODUCCIÓN La presencia de roedores en la agroindustria pone en riesgo la calidad e inocuidad de los alimentos y sus envases generando grandes pérdidas económicas y daños a la salud de los consumidores [14]. Actualmente, en el Perú, las empresas controladoras de plagas realizan el servicio de desratización «tradicional», empleando un alto número de personal y tiempo [6]. Se han determinado varios impactos negativos como son los problemas dorsales en las personas que revisan los cebaderos (al ser ubicados siempre sobre los pisos), además de problemas en la piel por exposición a los rayos solares y el riesgo biológico por exposición al encontrar un roedor en proceso de putrefacción. Esto último representa también un riesgo sobre las instalaciones y los alimentos que se producen. Desde el punto de vista económico y de la productividad, se tiene un alto costo horas-hombre al desratizar con el método «tradicional» que consiste en la revisión uno a uno de los cebaderos instalados [16]. Normalmente, esta actividad se realiza cada semana, quincena, al mes o hasta trimestralmente, según el grado de infestación y las posibilidades económicas de la empresa afectada. El objetivo del proyecto es, por tanto, encontrar un método de desratización permanente (las 24 horas, todo el año) que pueda reemplazar a la desratización «tradicional» por ser esta periódica y parcialmente eficaz. Control S. A. C. logró desarrollar un sistema de alerta y captura de roedores mediante el uso de sensores de movimiento, al cual le hemos denominado Smart Control System. A través de este nuevo sistema, se reemplazará la metodología «tradicional» de desratización por una nueva que consiste en adaptar a los cebaderos de desratización unos componentes electrónicos que envían alertas de captura en tiempo real, vía SMS o correo electrónico al controlador de plagas o destinatario interesado. El desarrollo tecnológico incluye un software que permita reenviar la información y presentar estadísticas respecto a los eventos o capturas que sucedan durante el año. Con este nuevo sistema, desarrollado en el país, las empresas tendrán un monitoreo continuo de los cebaderos y una atención inmediata del controlador de plagas ante cualquier alerta de captura recibida, reduciéndose el riesgo biológico de contaminación por roedores. FUNDAMENTOS A nivel internacional, en los últimos tres años se han desarrollado sistemas tecnológicos para el control de actividad de roedores en la industria que permitan evitar daños ocasionados por estas plagas, Sin embargo, en el Perú, aún no se ha elaborado una tecnología eficaz que permita detectar la presencia de los roedores, su captura y eliminación. Según Gartner, durante el 2016 se incrementó en un 39 % el número de dispositivos conectados a internet de las cosas (Internet of Things - IoT); es decir, esta cifra supone un aumento de más de 500 millones de dispositivos en relación con el 88

año anterior, 2015 [10]. Respecto al control de roedores con sistemas IoT, ya es posible encontrar en el mundo dispositivos electrónicos para estos fines, aunque estos aún representan un altísimo costo al querer importarlos e implementarlos en nuestro país. En Argentina, se desarrolló una herramienta de software donde, a través de información extraída de imágenes satelitales, se estudia el comportamiento de roedores [1]. En España, se aplica el servicio de Desratización Inteligente, que consiste en el desarrollo de trampas electrónicas con sistema de monitoreo en tiempo real [2]. Wisecon, por su parte, desarrolló una trampa inteligente para la captura múltiple de ratas. Este dispositivo puede estar conectado a un software que avisa, mediante un mensaje de texto o correo, electrónico cuando un roedor es capturado [17]. Rentokil desarrolló un sistema RADAR que detecta, captura y aísla a los roedores. Además, envía un aviso mediante correo electrónico o mensaje de texto cuando el roedor es capturado dentro del dispositivo [15]. El sistema de alerta y captura de roedores Smart Control System, desarrollado por Control S. A. C., es de última tecnología e innovador en nuestro país, de monitoreo continuo para el control de roedores. Los sensores se adaptarán a los cebaderos que, normalmente, se emplean para desratizar en las empresas. El responsable del control de plagas tendrá el control online de los cebaderos instalados. El sistema Smart Control System está conectado a un software donde se registrarán todos los eventos y alertas de captura con la finalidad de realizar el análisis estadístico de los datos. Se desarrollaron cuatro prototipos que se instalaron en los cebaderos que se emplean normalmente para el control de roedores. Prototipo 1 (PRT1): Compuesto de una placa electrónica con módulo WiFi ESP8266 y un sensor PIR de movimiento [9], [12]. Para su funcionamiento, se requiere una conexión a red. La parte electrónica está adaptada al exterior del cebadero. Cuando un roedor ingresa al cebadero, es capturado por una trampa pegante y el movimiento del roedor es detectado por el sensor, el cual activa el módulo WiFi y envía la alerta a la base de datos del software desarrollado.

Cebadero plástico Parte electrónica

Trampa adherente

Figura 1. Cebadero con trampa adherente para prototipos PRT1, PRT2 y PRT3. Fuente: Elaboración propia.

Prototipo 2 (PRT2): Tiene comunicación vía SMS. Este prototipo, al detectar el movimiento mediante el sensor PIR, envía la información al módulo de comunicación que tiene insertado un chip de telefonía móvil, el cual enviará un SMS con alerta de captura a un celular programado. El módulo de comunicación de este prototipo es el dispositivo SIM 800L [18], y el microcontrolador ATMega 328P [3]. Prototipo 3 (PRT3): Tiene comunicación vía SMS. Este prototipo, al detectar el movimiento mediante el sensor PIR, envía la información al módulo de procesamiento quien da la orden al módulo de comunicación para que envíe un SMS con alerta de captura al número celular programado. Al igual que el prototipo 2, la placa electrónica tiene insertado un chip que envía un SMS al controlador de plagas. El módulo de comunicación de este prototipo es el dispositivo SIM 900L [19], y el de procesamiento el microcontrolador del dispositivo Arduino UNO. Prototipo 4 (PRT4): Es un prototipo adicional ensamblado, procedente de China (Figura 2), y que tiene la misma funcionalidad que los diseñados para este proyecto en nuestro país. Tiene comunicación vía SMS y un sensor de golpe que al activarse envía la información de captura al controlador de plagas.

El principal riesgo tecnológico detectado que se debe superar es la calidad de la señal en la recepción por parte de los emisores. Una buena cobertura de señal de telefonía es indispensable para el funcionamiento del sistema en general, así como la ubicación de los cebaderos y el nivel de interferencias que se podrían encontrar, los cuales serán limitaciones que deben ser detectadas y superadas. METODOLOGÍA La presente investigación consistió en dos fases: la primera, denominada fase de laboratorio, realizada en nuestras instalaciones y una segunda, fase de campo, ejecutada en las instalaciones de tres empresas agroindustriales elegidas. Las principales variables en estudio fueron el lugar de ubicación de cebaderos, el nivel de cobertura e intensidad de señal de operadoras de telefonía, la fuente de energía de los prototipos (baterías), la calidad de ensamblaje y la calidad en el envío de alertas. A. Fase de laboratorio A.1. Diseño y formulación técnica de los prototipos Se realizó el diseño electrónico de tres prototipos de sistema de alerta y captura de roedores: uno de conexión WiFi (PRT1) y otros de conexiones SMS (PRT2 y PRT3). A.2.Ensamblaje de prototipos de sistema de alerta y captura de roedores Se ensambló cinco ejemplares de cada prototipo diseñado: PRT1, PRT2 y PRT3, para dar inicio a las pruebas de funcionamiento iniciales. En esta etapa, se adquirió un prototipo desarrollado en el exterior (PRT4) con la finalidad de efectuar la comparación respecto a la eficacia en el funcionamiento frente a los prototipos desarrollados en el país.

Figura 2. Prototipo PRT4. Fuente: Elaboración propia.

El PRT4 se instaló dentro de un cebadero como el de la figura 3.

La tecnología de este equipo consiste en el envío de SMS al activarse el sensor de golpe como consecuencia de la activación de una trampa de gatillo para captura de un roedor. A.3. Desarrollo de software (inicial) Se dio inicio al desarrollo del software según los requerimientos establecidos por el equipo técnico del proyecto (Figuras 4 y 5). Para ello se realizó la contratación de personal externo especializado.

Figura 3. Cebadero con trampa de golpe para prototipo PRT4. Fuente: Elaboración propia.

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Figura 4. Software inicial de proyecto (usado en fase de laboratorio). Fuente: Elaboración propia.

A.6. Evaluación y selección de prototipos para la fase de campo Una vez culminado el periodo de prueba en las instalaciones de Control S. A. C., se procedió al análisis de los resultados y se determinó la eficacia en el funcionamiento de los cuatro prototipos evaluados. Además del análisis técnico, se realizó un análisis de costos y beneficios, con la finalidad de determinar la viabilidad comercial del producto. Luego del análisis, se procedió a la selección de los mejores prototipos (alta eficacia y bajo costo) para que sean evaluados en la fase de campo. Figura 5. Software final SmartControl (usado en fase de campo). Fuente: Elaboración propia.

A.4. Prueba de conectividad con software inicial

B. Fase de campo B.1. Ensamblaje de prototipos seleccionados

Se realizaron pruebas de conexión entre el software y los prototipos para asegurarse el envío de las alertas y su registro en la base de datos desarrollada.

Los prototipos seleccionados fueron replicados (total: 60 dispositivos). Durante esta etapa, también se realizaron mejoras de diseño de los prototipos seleccionados para un mejor funcionamiento y ahorro de energía.

A.5. Prueba de funcionamiento en instalaciones de Control S. A. C.

B.2. Instalación de dispositivos electrónicos en empresas agroindustriales

Las pruebas de funcionamiento de los cuatro prototipos se realizaron en distintas ubicaciones del edificio de cinco pisos, propiedad de la empresa Control S. A. C., ubicado en Santa Catalina, distrito de La Victoria: sótano, azotea (Figura 6) y pisos intermedios. Las pruebas se realizaron por un periodo de tres meses. La metodología consistió en activar alertas manualmente y de manera diaria (5 días por semana / 2 veces al día) y verificar si las alertas son recepcionadas por el software (base de datos inicial). Se registraron datos como tiempo de demora del envío de alertas luego de la activación, recepción de alertas en software, entre otros.

Para las pruebas de campo se seleccionaron tres empresas agroindustriales: dos ubicadas en el distrito de Lurín y una en el Callao, donde se realizaron las pruebas de campo por un periodo de dos meses.

El funcionamiento y la eficacia de los 4 prototipos evaluados estuvieron sujetos a variables como la ubicación y la cobertura de señal en la zona, las cuales fueron analizadas en esta etapa.

B.4. Mejora de atributos de software desarrollado

B.3. Monitoreo y seguimiento de captura de roedores por el sistema Se realizaron monitoreos 2 a 3 veces por semana, por un periodo de 2 meses, y se activaron manualmente las alertas con la finalidad de verificar la operatividad del sistema.

Durante el periodo de prueba de monitoreo en campo, se realizaron modificaciones al software para su mejora según las necesidades encontradas. B.5. Estudio de factibilidad comercial de prototipos validados. Análisis de costo-beneficio Luego del periodo de prueba de campo se analizaron los resultados técnicos de los prototipos y se determinó su operatividad y eficiencia. Asimismo se realizó un análisis de costo beneficio para determinar la viabilidad del proyecto. RESULTADOS A. Fase de laboratorio: Prueba instalaciones de Control S. A. C.

Funcionamiento PRT1

Figura 6. Prueba en instalaciones de Control S. A. C. (Azotea). Fuente: Elaboración propia.

Para el funcionamiento del prototipo PRT,1 se debe contar con conexión a una red. Los prototipos desarrollados fueron instalados en un área con cobertura WiFi y se determinó que el 100 % de las alarmas activadas fueron recibidas y almacenadas en el software inicial del proyecto (Tabla 1). No se tuvieron inconvenientes de fallas en cobertura de señal WiFi durante el

periodo de prueba. La eficacia de funcionamiento de las cinco réplicas diseñadas fue de 100 % en el envío de alertas.

100 %

92.19 %

80 %

Ubicación

Recepción de alerta en software

60 %

4.° piso

100.00 %

40 %

5.° piso

100.00 %

20 %

Tabla 1. Eficacia en el envío de alertas - PRT1. Fuente: Elaboración propia.

70.45 %

69.75 %

30.25 %

29.55 %

7.81 %

No se presentaron problemas al momento de activar el sensor y se determinó que el tiempo promedio de detección de movimiento por parte del sensor correspondió a 13 segundos. Funcionamiento PRT2

Entel

Claro

Movistar Sí

Figura 7. Eficacia PRT2 según operadora de telefonía. Fuente: Elaboración propia.

100Tiempo % Variable: demora de envío de SMS 87.76 %

Se determinó un 26.69 % de eficacia promedio en el envío de las alertas a la base de datos.

80 % mayoría

En la de los casos, el mensaje llegó73.02 luego % de 1 minuto, 62.00 %30 minutos como máximo. incluso llegando a demorar 60 %

Variable: Ubicación

Funcionamiento PRT3

Los resultados específicos, según las ubicaciones de las pruebas, fueron los siguientes:

Se detectó que la eficacia promedio en el envío de alertas fue 20 %. % de 71.05

40 %

38.00 %

26.98 %

12.24 %

Ubicación

Recepción de alerta Falla

Éxito

Azotea

64.29 %

35.71 %

Sótano

81.82 %

18.18 %

4° piso Promedio

73.81 % 73.31 %

26.19 % 26.69 %

Tabla 2. Eficacia PRT2 según ubicación para los operadores Entel, Claro y Movistar. Fuente: Elaboración propia.

Se determinó que el sótano es la ubicación con menor porcentaje de envío y recepción de alertas. Principalmente, por la interferencia de la señal de telefonía en esa zona. Por otro lado, la azotea presentó un mayor número de alertas recibidas en comparación con el sótano y 4° piso, como consecuencia de las características del lugar, lugar abierto, sin obstáculos, alta intensidad de señal para operadoras de telefonía (Tabla 2).

% Variable:0Ubicación

Entel

Claro

Movistar

Se determinó que, en el sótano, Sí existe No menor porcentaje de alertas detectadas, mientras que en la azotea es mayor. Esto se debe a que la señal celular tiene débil cobertura en el primero (Tabla 100 % 3). 95.61 % 100 %

92.19 %

80 % 80 % Ubicación

Recepción de alerta 70.45 %

69.75 %

Falla

Éxito

60 % 60 % 55.93 % Azotea 44.07 % 12.50 % 40 % 40 % Sótano

4° 20 piso % 20 % Promedio 0%

51.25 %87.50 % 48.75 %

49.52 % 30.25 %

29.55 %

50.48 %

24.82 %

75.18 %

7.81 %

28.95 % 4.39 %

71.05 %

Entel ubicación para Movistar Tabla 3.Claro Eficacia PRT3 según los Entel Claro operadores Entel, Claro y Movistar. Movistar Sí No Fuente: Elaboración propia. Sí No

Variable: Operadora de telefonía 100 % 87.76 % 80 %

Sin embargo, es importante mencionar que este prototipo, además de presentar un bajo número de envío de alertas, es el que presento fallas en el hardware, por motivos de ensamblaje.

73.02 % 62.00 %

60 % 40 %

38.00 % 26.98 %

Variable: Operadora de telefonía

20 % 12.24 %

La operadora Entel obtuvo un mayor porcentaje de alertas detectadas (Figura 7). El resultado puede variar respecto a otros lugares ya que depende de la potencia de la señal celular.

0% Sí

100 %

VOLUMEN 12, 2018

Entel

Claro

Movistar

Figura 8. Eficacia PRT3 según operadora de telefonía. Fuente: Elaboración propia.

95.61 %

80 % 60 %

55.93 %

51.25 %

100 % 87.76 % 80 %

73.02 % 62.00 %

60 % 40 %

38.00 % 26.98 %

Los prototipos PRT3 con chip Entel y Movistar presentaron un mayor porcentaje de envío de alertas, con respecto a la operadora Claro (Figura 8). Esto se debe a una mejor cobertura de señal en la zona de estudio (La Victoria, Lima). Variable: Tiempo demora de envío de SMS

Variable: Operadora de telefonía 20 % 12.24 %

Para el caso 0 %del prototipo PRT4, la señal de telefonía Entel es la que presenta mayorClaro porcentaje de envío exitoso de alertas Entel Movistar (95.61 %) con respecto a las demás operadoras (Figura 9). Sí No Esto se debe a una mejor cobertura de señal en la zona y en ubicaciones con interferencias como el sótano.

Se determinó que el tiempo de demora de envío de alerta, luego de activarse el sensor de movimiento es de 30 segundos en la mayoría de los datos tomados.

100 %

95.61 %

80 %

Funcionamiento PRT4 60 %

Para el caso del prototipo 4 (PRT4), el 75.43 % de los cebaderos enviaron la alerta luego de su activación, mientras que el 24.57 % no tuvo éxito como consecuencia de la falta de cobertura en la señal telefónica principalmente en el sótano.

51.25 % 48.75 %

55.93 % 44.07 %

40 % 20 % 4.39 % 0%

Recepción de alerta

Ubicación

Sí

Azotea

3.33 %

96.67 %

Sótano

63.13 %

36.88 %

4° piso

7.24 %

92.76 %

Promedio

24.57 %

75.43 %

Tabla 4. Eficacia PRT4 según ubicación para los operadores Entel, Claro y Movistar. Fuente: Elaboración propia.

Movistar Sí

Figura 9. Eficacia PRT 4 según operadora de telefonía. Fuente: Elaboración propia.

Variable: Tiempo demora de envío de SMS El tiempo promedio en enviar las alertas al celular receptor y base de datos luego de activada la alerta se encuentra entre los 21 y 30 segundos. Análisis de eficacia comparativa de prototipos

Variable: Ubicación En la tabla 4, se observa el resultado de eficacia de alerta según ubicación de prototipo. En el sótano, existe un menor porcentaje de alertas detectadas, mientras que en la azotea y en el 4° piso es mayor. Esto se debe a que en el sótano la señal de la comunicación celular no llega con buena potencia.

Ubicación

Entel

Claro

PRT1

Las eficacias se analizaron comparativamente en función a las ubicaciones, donde se desarrollaron las pruebas, y las operadoras de telefonía en prueba (Tabla 5). Se decidió que los datos obtenidos en el sótano del edificio no serían comprendidos en los datos estadísticos debido a que generarían errores estadísticos en los resultados.

PRT2

PRT3

PRT4

WiFi

Entel

Claro

Movistar

Entel

Claro

Movistar

Entel

Claro

Movistar

4° piso

100 %

33.33 %

8.05 %

18.18%

88.24 %

51.85 %

93.75 %

96.10 %

90.12 %

98.36 %

Azotea

55.56 %

20.00 %

22.22%

83.33 %

80.00 %

100.00 %

90.00 %

Promedio por operadora

100 %

44.44 %

14.02 %

20.20%

85.78 %

65.93 %

96.88 %

98.05 %

95.06 %

94.18 %

Promedio de eficacia (%)

100 %

26.22 %

82.86 %

95.76%

Tabla 5. Eficacia comparativa (resumen) según ubicación y operadora de telefonía. Fuente: Elaboración propia. Nota: Se descartaron las mediciones del sótano por la baja señal de cobertura telefónica.

El prototipo con mejor eficacia es PRT1 con un 100 % de envío de las alertas activadas a la base de datos, seguido de PRT4 con un 95.76 % de eficacia en envíos de alerta exitosas.

Análisis técnico económico A continuación, se muestra un cuadro resumen (Tabla 6) del comportamiento de los 4 prototipos, en función a los ciertos criterios evaluados:

ENSAMBLAJE

FUNCIONALIDAD

RIESGO FALLA

COSTO

TOTAL

1.CALIFICACIÓN

2.% EFICACIA

3.OPERACIÓN

4. ENSAMBLAJE

5. INSTALACIÓN

MALO

100.00 %

BAJO

MEDIO

BAJO

APTO

MALO

26.22 %

MEDIO

NO APTO

PRT3 (Corriente - GSM)

BUENO

82.86 %

MEDIO

ALTO

NO APTO

PRT4 (Batería- GSM)

BUENO

95.76 %

BAJO

ALTO

MEDIO

APTO

8. MATERIALES

FALLAS

7. REPARACIÓN

FACILIDAD

6. OPERACIÓN

RAPIDEZ

PRT1 (Corriente - Wifi) PRT2 (Corriente - GSM)

N.° DE PROTOTIPO

CALIFICACIÓN FINAL

Tabla 6. resultados de evaluación técnico-económica (fase laboratorio). Fuente: Elaboración propia. Nota: Se consideran como «ACIERTOS» a las calificaciones en fondo azul y letras blancas.

Del cuadro resumen, sobre la base de ocho aspectos evaluados, se obtuvieron los siguientes resultados: PRT-1: Obtuvo 5 aciertos, calificándose como APTO. PRT-2: Obtuvo 0 aciertos, calificándose como NO APTO. PRT-3: Obtuvo 1 acierto, calificándose como NO APTO. PRT-4: Obtuvo 6 aciertos, calificándose como APTO. Con base en los resultados obtenido, no existe diferencia significativa entre el prototipo PRT1 y PRT4, por lo que son seleccionado para la fase de prueba de campo. Incidencias en la fase de laboratorio Durante esta fase, se descartó a la operadora Bitel como opción para la prueba por no contar con red 2G (SMS), necesaria para su adaptación a los prototipos. Fase de campo Ensamblado de prototipos Para las pruebas de campo, se ensamblaron 30 dispositivos PRT1, como se observa en la figura 15. Para el caso del prototipo PRT4 se adquirieron 30 de estos sistemas. Instalación de prototipos en empresas agroindustriales Los prototipos seleccionados fueron instalados en tres empresas agroindustriales ubicadas en Callao (Figura 10) y Lurín (Figuras 11 y 12). Durante esta etapa, se activaron las alertas para verificar el funcionamiento de los prototipos (Figura 13).

Figura 10. Instalación de prototipos en Callao. Fuente: Elaboración propia.

VOLUMEN 12, 2018

Figuras 11 y 12. Instalación de prototipos en Lurín. Fuente: Elaboración propia.

aquellas que fueron enviadas y registradas en el software Smart Control System.

Ubicación

% de éxito de PRT1 (alertas registradas)

Lurín

92.59 %

88.0 %

Callao

84.02 %

93.06 %

88.31 %

90.53 %

Promedio

% de éxito de PRT4 (alertas registradas)

Tabla 8. Alertas exitosas (PRT1 y PRT4). Fuente: Elaboración propia.

La ubicación donde se obtuvo una mayor cantidad de alertas exitosas fue el distrito de Lurín para el caso de PRT1, mientras que, en el Callao, se obtuvo un mayor porcentaje de alertas exitosas para el prototipo PRT4.

Figura 13. Monitoreo de cebaderos en Lurín. Fuente: Elaboración propia.

Durante la fase de prueba de campo, se analizaron los siguientes ítems: Operatividad de los prototipos La operatividad promedio, en las tres empresas evaluadas, se muestran en la tabla 7.

Captura de roedores durante la fase de campo. En esta fase, se produjo una captura en el prototipo PRT1 ubicada en una empresa del distrito de Lurín (Tabla 9). En las demás ubicaciones donde se realizaron las pruebas, no se registró la captura debido a la ausencia de estos animales. Prototipo

Operatividad

Prototipo

Activo

Inactivo

PRT1-WiFi

93.82 %

6.19 %

PRT4-SMS

97.31 %

2.69 %

1 0 0 0

PRT4

Tabla 9. Capturas PRT1 vs. PRT4. Fuente: Elaboración propia.

El prototipo PRT4 presentó un porcentaje mayor de operatividad que el prototipo PRT1. La operatividad tuvo relación directa con la fuente de energía instalada en cada prototipo. El PRT1 presentó mayores fallas debido a la batería alcalina que usa, en comparación con la batería de litio empleada en PRT4. Eficacia de prototipos (alertas registradas en software) El prototipo PRT4 presentó un mayor porcentaje de alertas registradas en software (90.53 %), mientras que PRT1 un porcentaje ligeramente menor (88.31 %). Esto debido, principalmente, a fallas o perdidas de la red WiFi en las zonas de monitoreo (Tabla 8). Las alertas exitosas corresponden a

El roedor fue atrapado en una trampa pegante en una de las visitas del mes de noviembre. Se acudió gracias a la respuesta del software Smart Control System. Incidencias en la fase de campo Durante la prueba, se registraron falsas alertas debido a golpes accidentales a los dispositivos por el personal o maquinarias. Análisis técnico y económico de PRT1 y PRT4 Se analizaron cuatro aspectos de importancia en los prototipos que podrían determinar su viabilidad comercial en el mercado nacional. Los resultados se muestran en el siguiente cuadro:

CONSUMIBLES MENSUAL (pilas, recargas de chips, etc.)

MANTTO ANUAL /REPARACIÓN

COSTOS (PARA 20 DISPOSITIVOS) PASAJES Y VIATICOS DESRATIZADOR (1 VISITA MENSUAL)

RIESGO DE FALLAS

ENSAMBLAJE Y MATERIALES (20 dispositivos)

EFICACIA Y FUNCIONALIDAD

OPERACIÓN

% de Éxito (Alarmas registradas en software)

% Alarmas enviadas por el prototipo

% Operatividad (por batería)

RAPIDEZ EN EL ENSAMBLAJE

Capturas

Lurín Callao Lurín Callao

PRT1

Tabla 7. Operatividad PRT1 vs. PRT4. Fuente: Elaboración propia.

Ubicación

PRT1 (WiFi)

LENTO

93.82 %

73.62 %

88.31 %

BAJO

S/ 5 008.20

S/ 103.70

S/ 279.00

S/ 83.50

PRT4 (GSM)

RÁPIDO

97.31 %

83.92 %

90.53 %

BAJO

S/ 6 746.40

S/ 103.70

S/ 325.00

S/ 93.30

N.° DE PROTOTIPO

Tabla 10. Resultados de evaluación técnico-económica (fase campo). Fuente: Elaboración propia.

El prototipo PRT1 presentó mayores problemas en el ensamblaje debido a la dificultad en la soldadura de piezas pequeñas. La eficacia de PRT1 fue menor que PRT4, debido a las condiciones externas al desarrollo del hardware: baja cobertura e intermitencia en la señal WiFi disponible, entre otros, a diferencia de la fase de laboratorio donde el prototipo PRT1 (WiFi) presentó 100 % de eficacia. El PRT1 presentó menor costo de ensamblaje y puesta en funcionamiento lo cual representa una mayor utilidad.

[2] Anticimex (2016). Anticimex Smart: Control digital de plagas 24/7. España: Anticimex. Recuperado de https:// www.anticimex.com/es-ES/smart/

Con base en la eficacia y factibilidad comercial, se determinó que los prototipos PRT1 y PRT4 presentaron mayor viabilidad comercial para el mercado nacional.

[5] Christopher T., et. al. (2015, 7 de julio) Wireless notification systems and methods for electronic rodent traps. Recuperado de https://www.google.com/patents/ US20160192635.

CONCLUSIONES

[6] Decreto Supremo N.° 022–2001-SA. Reglamento sanitario para las actividades de saneamiento ambiental en viviendas y establecimientos comerciales industriales y de servicios. Diario Oficial El Peruano. Lima. Perú, 16 de julio de 2001.

•

Se cumplieron los objetivos establecidos para el proyecto.

• Se logró desarrollar un método de desratización permanente (las 24 horas, 12 meses del año), que pueda reemplazar a la desratización tradicional. •

Se desarrollaron sistemas alternativos con hardware (PRT1, PRT2, PRT3 y PRT4) y software (Smart Control System), los cuales fueron sometidos a pruebas iniciales.

• Al concluir la fase de laboratorio, se escogieron los prototipos PRT1 y PRT4 por obtener la más alta eficacia y viabilidad para el proyecto. Los prototipos PRT2 y PRT3 fueron descartados por presentar fallas en el ensamblado de hardware y un alto costo de los componentes, respectivamente. •

Finalizada la fase de campo, se obtuvo una alta eficacia para los prototipos PRT1 (88.31 %) y PRT4 (90.53 %) en el envío de las alertas al sistema Smart Control System. Las fallas en el envío de alertas se debieron a problemas en la cobertura de las señales SMS y WiFi en las localidades de Callao y Lurín, donde se desarrollaron las pruebas.

• Se concluye, sobre la base de la eficacia y el análisis económico, que los prototipos PRT1 y PRT4 son los más adecuados para su comercialización en el mercado nacional. Asimismo, es necesario continuar con las validaciones en campo de estos prototipos para determinar la eficacia en distintas condiciones ambientales.

[3] Atmel Corporation (2016). ATmega328/P. Datasheet complete. Recuperado de https://bit.ly/2FsXRXp [4] Chaves, P. (2008). Sensores analógicos utilizados en la automatización industrial. Universidad de Costa Rica.

[7] Espressif Systems IOT Team. (2015). ESP8266EX Datasheet. Versión 4.3. Recuperado de https://cdnshop.adafruit.com/product-files/2471/0A-ESP8266__ Datasheet__EN_v4.3.pdf [8] FAO (Organización de las Naciones Unidas para la alimentación y agricultura). (2016). Control de roedores (un resumen). Depósito de documentos de la FAO. Recuperado de http://www.fao.org/docrep/x5052s/ x5052S04.htm [9] Fraden, J. (2004). Handbook of Modern Sensors (Physics, Designs and Applications) (3a ed.). San Diego: Springer. [10] Fundación CTIC. (2016). ¿Qué es el internet de las cosas? Recuperado de http://www.fundacionctic.org/sat/articuloque-es-el-internet-de-las-cosas [11] Kramer. M. et. al. (2013, 26 de diciembre). Wireless Mousetrap and System. Recuperado de https://www. google.com/patents/US20130342344 [12] Pallas, R. (2004). Sensores y acondicionadores de señal. (3a ed.). Barcelona: Marcombo. [13] Sheahan M., y Andrews, P. (2008). Rat Trap [inventors inbox]. Engineering & Technology, 3(14), 34-35. Recuperado de https://bit.ly/2yunoNt

• El software Smart Control System, desarrollado para el proyecto, demostró que registra de manera permanente (las 24 horas) todos los eventos que suceden en el sistema de cebaderos instalados para la desratización en las fábricas agroindustriales.

[14] Ramírez, F. (2015). Área de consolidación gestión de la producción de agroalimentos. Programa de manejo integrado de plagas para la industria desactivadora de soja Recuperado de https://bit.ly/2PpYQwj

REFERENCIAS

[15] Rentokil (2016). Radar. Una solución innovadora, discreta y humanitaria para la eliminación de ratones. Recuperado de https://bit.ly/2RDrpI5

[1] Andrea, V. (2008). Desarrollo de software para la simulación espacio-temporal de la dinámica poblacional de roedores transmisores de fiebre hemorrágica. Recuperado de https://bit.ly/2OfsKGU

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[16] Resolución Ministerial N.° 449-2001: Norma para la desinsectación, desratización, desinfección, limpieza y desinfección de reservorios de agua, limpieza de ambientes y de tanques sépticos. Diario Oficial El Peruano. Lima. Perú, 26 de julio de 2001. 95

[17] Wisecon (2015). Wisebox. Effective control of rats and mice on the surface. Dinamarca. Wisecon. Recuperado de http://www.wisecon.dk/en/ produktkategori/wisebox-en/ [18] SIMCom (2013). SIM 800L Hardware Design V1.00. Recuperado de http://wiki.seeedstudio. com/images/4/46/SIM800L_Hardware_Design_ V1.00.pdf [19] SIMCom (2013). SIM 900 Hardware Design V2.05. Recuperado de http://simcom.ee/documents/ SIM900/SIM900_Hardware%20Design_V2.05.pdf ACERCA DE LOS AUTORES Iván Jerí San Miguel Maestro en Gestión de la Calidad e Inocuidad en la Industria Alimentaria. Investigador principal del área de innovación de la empresa Control de Saneamiento Ambiental S. A. C. dedicada al control de plagas en la industria y salud pública. Ha realizado estudios y publicaciones relacionados con la toxicología en el arroz y la preservación de alimentos vegetales. Docente universitario y auditor líder internacional para sistemas de gestión de inocuidad en los alimentos. ivanjeri@controlsac.com

Alfredo Rodríguez Gutiérrez Ingeniero electrónico por la Universidad Nacional de Ingeniería, con estudios de maestría en Telecomunicaciones, así como una especialización en Comunicación de datos y maestría en Ingeniería con mención en Gerencia e Ingeniería del Mantenimiento. Docente en la facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la UNI, la UPC y TECSUP. arodriguez@uni.edu.pe Natalie Reynaga Bernaola Ingeniera de alimentos con estudios de maestría en Tecnología de los Alimentos. Jefa del área de proyectos de la empresa Control de Saneamiento Ambiental S. A. C. Ha liderado estudios de investigación sobre productos para el control de las plagas y toxicología en los alimentos. Es miembro activo del comité de inocuidad alimentaria del Inacal. Docente universitario sobre la gestión de inocuidad en los alimentos. calidad@controlsac.com Jessica Villar Mondalgo Bióloga con especialización en Microbiología, e Ingeniera Ambiental. Ejecuta validaciones y proyectos de investigación relacionados con el control de las plagas en la industria y salud pública. Jefa del laboratorio de innovación de la empresa Control de Saneamiento Ambiental S. A. C. proyectos@controlsac.com

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Las aplicaciones tecnológicas que facilitan la colaboración entre profesores y estudiantes propician mejores desempeños, por lo que hay que involucrar a los alumnos en la utilización de la Pizarras Digitales Interactivas para así fortalecer la relación de tecnología y educación.

David Laura, Universidade Federal de Uberlândia (UFU) / Luis Almanza, Tecsup

Pizarras Digitales Interactivas: ¿Cuáles son los niveles de satisfacción, necesidades y contribuciones desde la mirada de los docentes? Interactive Digital Whiteboards: What are the Levels of Satisfaction, Needs and Contributions from the Teachers’ Point of View?

RESUMEN

La pizarra digital interactiva es una de las innovaciones más novedosas surgidas en los últimos años para mejorar el proceso de enseñanza - aprendizaje. El estudio que se describe tiene como objetivo determinar los niveles de satisfacción de los profesores, en relación al uso de la pizarra digital interactiva (PDI), así como identificar los factores que están relacionados a que los docentes hagan uso de ella. Se aplicó una metodología mixta, conjugando tanto aspectos cuantitativos como cualitativos, con un diseño no experimental ex post facto. Para el levantamiento de datos, se elaboró un cuestionario con 15 ítems tipo Likert y una pauta de entrevista; se encuestó a cien profesores y se entrevistó a doce. Ellos laboraban en el distrito de Mariano Melgar, región Arequipa. El análisis de los datos cuantitativos se realizó mediante la técnica de «análisis de componentes principales» usando una rotación varimax; mientras que el tratamiento de los datos cualitativos, mediante la técnica de «análisis de contenido». En el análisis de componentes principales se identificaron cuatro dimensiones, las que fueron llamadas: infraestructura, diseño e implementación, estrategias metodológicas y seguimiento, y evaluación, que explican un 67,497 % de la varianza total. Del «análisis de contenido» emergieron tres categorías: desarrollo profesional docente, sostenibilidad y escalabilidad, monitoreo y retroalimentación. El estudio concluye que existe una percepción positiva vinculada con la componente infraestructura. Sin embargo, se evidenció que la posición de los docentes, frente al diseño, implementación y desarrollo de la iniciativa es bastante desfavorable.

ABSTRACT

The interactive digital whiteboard is one of the most innovative development emerged in recent years to improve the teaching and learning process. The study described aims to determine the levels of satisfaction of teachers, in relation to the use of interactive whiteboard (IDW); as well as identifying the factors that are related to teachers in order to use it. A mixed methodology was applied, combining both quantitative and qualitative aspects, with a non-experimental «ex post facto» design. For the data collection, a questionnaire with 15 Likert-type items and an interview guideline were elaborated; surveys were applied to one hundred teachers and twelve teachers were interviewed. They worked in the district of Mariano Melgar, Arequipa region. The analysis of the quantitative data was carried out using the «principal component analysis» technique, using a varimax rotation; the qualitative data was processed using the «content analysis» technique. In the analysis of main components four dimensions were identified, that were called: infrastructure, design and implementation, methodological strategies and monitoring and, evaluation, which explain 67.497% of the total variance. From «content analysis» emerged three categories: teacher professional development, sustainability and scalability, monitoring and feedback. The study concludes that there is a positive perception, linked to the infrastructure component. However, it was evident that the position of the teachers, compared to the design, implementation and development of the initiative, is quite unfavorable.

Palabras clave Tecnología, satisfacción usuaria, innovación educativa, estrategias metodológicas, enseñanza y aprendizaje.

Key words Technology, user satisfaction, educational innovation, methodological strategies, teaching and learning.

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INTRODUCCIÓN

La convergencia de las tecnologías de la información y la comunicación (en adelante, TIC) ha generado una profunda transformación en nuestra sociedad. Las TIC son parte integral de nuestros centros de trabajo, instituciones educativas y nuestras viviendas, ellas están cambiando radicalmente la manera en que vivimos, trabajamos, nos divertimos, comunicamos y aprendemos [25] [24]. Existe un creciente interés en el rol que las TIC pueden desempeñar para mejorar los procesos de enseñanza - aprendizaje. Podemos notar un amplio acceso a las TIC en las escuelas y colegios, así como también la importante valoración que los profesores han hecho de estos recursos, lo cual se manifiesta en un alto nivel de incorporación de computadoras e Internet en sus hogares [43] [2]. Frente a este panorama, han surgido importantes iniciativas, especialmente, a nivel gubernamental, regional e institucional con el objetivo de llevar las TIC a las instituciones educativas del país. El distrito de Mariano Melgar, siguiendo la tendencia internacional, y con el apoyo del Ministerio de Educación (Minedu) y Gobierno Regional (GR), decidió incorporar e integrar las pizarras digitales interactivas (en adelante, PDI), en las escuelas y colegios del distrito. El mismo año (2012), y junto con implementar la infraestructura, el Minedu y la Municipalidad de Mariano Melgar se plantearon la necesidad de capacitar a los docentes en el manejo de las PDI. Para la mayoría de los profesores, este era el primer encuentro con ambientes de aprendizaje basados en las PDI, por lo que la capacitación estuvo fuertemente centrada tanto en aspectos técnicos como aspectos pedagógicos. Sin embargo, las capacitaciones fueron relativamente cortas, se confió en las capacidades pedagógicas de los profesores para que ellos desarrollaran la integración de las PDI en los procesos de enseñanza y aprendizaje. Por otro lado, y a la luz de lo expresado líneas arriba, el uso que se le da a las PDI es bastante acotado. Según la literatura especializada, estas solo producen pequeñas mejoras y aumentos insignificantes en la motivación de los estudiantes [38], y que la motivación inicial despertada por esta nueva tecnología puede ser débil y de corta duración [26] [37]. Para Domingo, la PDI es un recurso más, y pone en alerta que los impactos positivos de la tecnología no vienen automáticamente, mucho depende de cómo los profesores usen las TIC en sus salas de clases [10]. Por esto, es de vital importancia contar con metodologías que permitan la evaluación sistemática del uso de las PDI, para que sus resultados sirvan de base tanto para el mejoramiento de las iniciativas que están en marcha como para la orientación, el diseño y la planificación de futuros proyectos. En este contexto, esta investigación se oriento en comprender el grado de satisfacción usuaria de profesores, en relación con los entornos de aprendizaje basados en las PDI, así como los factores que están relacionados a que los profesores usen las PDI como recurso de su práctica pedagógica. Así, los objetivos específicos de este estudio son identificar los niveles de satisfacción de los profesores, en relación al uso de las PDI, así como identificar los factores que están relacionados a que los docentes hagan uso de ellas. A través de este estudio, se 100

buscó responder a las siguientes interrogantes: ¿Cuál es el nivel de satisfacción usuaria de los docentes en relación con los entornos de aprendizaje basados en las PDI? ¿Cuáles son los factores que potencializan o inhiben el uso intensivo de las PDI como recurso pedagógico de los procesos de enseñanza y aprendizaje? Se espera que este estudio constituya un aporte, a la discusión objetiva y productiva en torno a las mejores posibilidades de incorporación e integración de las PDI en contextos educacionales, y que el aporte realizado, a través de esta investigación, constituya, de modo efectivo, la generación de propuestas metodológicas y pedagógicas para facilitar la labor de los docentes.

FUNDAMENTOS

Las evidencias indican que estas políticas de incorporación de tecnología en las aulas han ido en aumento. El uso de los recursos tecnológicos por los jóvenes, en estos tiempos, forma parte de su crecimiento. Para Martín, Beltrán y Pérez la tecnología nos permite variar contextos de aprendizaje y el desarrollo interactivo de los alumnos. De una manera amplia, las TIC se están involucrando en el proceso de aprendizaje con diversas herramientas en diversos temas [28] [12]. En suma, podríamos afirmar que existe la tendencia a la consolidación de una cultura digital en el sistema educativo [19]. No obstante, la incorporación de tecnologías al aula, ha generado controversias y polémica entre funcionarios de la educación, investigadores, especialistas de la educación, profesores y sociedad civil interesada. Existen posiciones extremas, que van desde los que sostienen que las tecnologías revolucionarían la educación [46] hasta los que sostienen que las tecnologías no aportan beneficio alguno y, más bien, causan perjuicios una vez que llegan al aula [27]. En lo que se refiere específicamente a las PDI, diversos investigadores han publicado estudios que proveen sustancial evidencia de que las PDI puede jugar un rol positivo en el desempeño académico de los estudiantes. Por ejemplo, Toledo y Sánchez, Gadbois y Haverstock indican que las PDI pueden aumentar la interacción entre docentes y estudiantes, así como la motivación y el uso de diferentes puntos de vista del docente. Las PDI pueden ser utilizadas en el aula no solo como herramientas de presentación, sino también como un medio para que los estudiantes puedan desarrollar su propio conocimiento y la organización del mismo [16] [42]. Reafirmando las posiciones anteriores, O’Hanlon sostiene que el uso intensivo de las PDI por estudiantes promueve en ellos la generación de su propio aprendizaje, en particular, en el área de matemáticas y ciencias. Los profesores que emplean las PDI han podido modificar sus prácticas pedagógicas y, en consecuencia, han mejorado sus estrategias metodológicas de enseñanza y aprendizaje [33]. Ellos han realizado cambios radicales en la planificación de sus lecciones, creando sus propios recursos y compartiéndolos en el servidor de la escuela [4]. En esa misma línea, Whyburn y Way se centran en la percepción de estudiantes de primaria y encontró que estos valoraron positivamente el trabajo con las PDI, como el acceso a Internet, música y juegos, lo cual originó que las clases de matemática y ciencias sean más divertidas y motivadoras [46].

Bajo la misma visión, Hennessy desarrolla un marco teórico para comprender el papel mediador de las PDI en el diálogo en el aula. Para él, esta potente tecnología, cada vez más frecuente, abre oportunidades para los estudiantes a generar, modificar y evaluar nuevas ideas, a través de la interacción multimodal junto con la discusión [23]. Sin embargo, también existen opiniones escépticas, quienes sugieren que las PDI solo producen pequeñas mejoras y aumentos insignificantes en la motivación de los estudiantes [38], y que la motivación inicial despertada por esta nueva tecnología puede ser débil y de corta duración [26]. Sad y Ozhan señalan algunas limitaciones de las PDI: las interrupciones y distracciones causadas por problemas técnicos, cortes de energía, falta de conexión a la red, bloqueo provocado por los programas de antivirus y la descalibración de la pantalla [37]. También, una gran limitación es la falta de una estrategia pedagógica y metodológica en la escuela sobre el uso de las PDI [39]. Una de las dificultades que enfrentan los profesores es la necesidad de formación adecuada para usar las PDI en todo su potencial, fundamentalmente, en aspectos metodológicos [40], ya que el asesoramiento recibido en torno a las PDI condiciona su uso pedagógico y, por ende, a sus resultados [45]. Las evidencias indican que estas políticas de incorporación de tecnologías alrededor del mundo han resultado en un dramático incremento en el número de las PDI en escuelas, colegios y salas de clase, y el acceso intensivo de los alumnos y profesores a estos nuevos ambientes de enseñanza y aprendizaje [17]. Pero ¿cuáles son los cambios que las PDI auguran para el mundo de los alumnos y profesores? ¿Cómo se adecuan estos cambios con las necesidades y demandas, de contextos específicos como el caso peruano? En ese sentido, de la revisión de la literatura podemos concluir que la incorporación e integración de las PDI en la sala de clase es un proceso complejo [20]. La incorporación de las PDI al aula, necesita de más análisis para lograr una mayor comprensión del fenómeno. Así, este estudio es de carácter descriptivo, la metodología adoptó una aproximación mixta de métodos, incorporando tanto aspectos cuantitativos como cualitativos. Cuando las interrogantes de investigación son complejas, la combinación de los métodos permite darle más profundidad, una mayor validez y mayor credibilidad a los hallazgos del estudio [13] [14] [29] [22]. Para el diseño de los instrumentos, es necesario tener bien definida la población de estudio [36]. En este caso, la población de referencia para el diseño de los instrumentos, es el profesorado que tiene acceso a las PDI, del distrito de Mariano Melgar, región Arequipa. Los principales instrumentos de investigación fueron el cuestionario y la entrevista semiestructurada. Para realizar el análisis de los datos, se recurrió al «análisis de componentes principales» para la dimensión cuantitativa y el «análisis de contenido» para la dimensión cualitativa. Es preciso señalar que, durante el desarrollo del trabajo, se pudo notar algunas limitaciones. Por una parte, dado que este estudio solo se realizó considerando a los docentes de Mariano Melgar, para futuros estudios, debería considerarse poblaciones más amplias, con el objetivo de obtener resultados más generalizables. Por otro, los instrumentos de

VOLUMEN 12, 2018

recolección de datos son la entrevista semiestructurada y la encuesta a docentes, estas se centran en el docente y reflejan resultados según su criterio y visión, el cual no necesariamente puede concordar exactamente con lo que realmente realiza en sus prácticas pedagógicas. Por lo tanto, para posteriores análisis en la temática, es necesario complementar con otras estrategias y fuentes de información, que permitan triangular y validar los resultados obtenidos. METODOLOGÍA

Esta investigación ha optado por el estudio de casos fundamentado, principalmente, según las propuestas de [41] [18] [48]. Técnica que se caracteriza por buscar una representatividad de conceptos que iluminen el conocimiento sobre algún fenómeno en particular [47]. De esta forma, también, se hace más eficiente la muestra, pues no es necesario llegar a un gran número de escuelas para alcanzar lo que se conoce como el punto de saturación de los estudios, que es el punto en donde los elementos encontrados se repetirán consistentemente, es decir, los sujetos informantes ya no brindan información nueva y relevante [21] [6]. Muestra Dimensión cuantitativa Se consideró una muestra censal, es decir, todos los profesores del distrito de Mariano Melgar que incorporaron en sus prácticas pedagógicas las PDI. Se tuvo en cuenta también las directrices del «análisis de componentes principales». Para nuestro caso, el cuestionario contaba con 15 ítems, por lo que necesitábamos, al menos, 75 informantes.

Género

Número de docentes

N1/

C2/

Masculino

Femenino

100

N.°

N= Nombrado; 2/C= Contratado. Tabla 1. Características de los docentes. Fuente: Elaboración propia sobre la base de la información de campo.

Dimensión cualitativa Se realizó un muestreo teórico, los sujetos informantes fueron profesores que participaron de la capacitación del uso de las PDI. Se identificarán profesores que puedan brindar la mayor información posible sobre el proceso de incorporación e integración de las PDI en sus salones de clase. Los criterios de selección fueron los siguientes: a) profesores que estén dispuestos a ser entrevistados; b) profesores que realicen innovaciones con las PDI; y c) profesores de distinto género y edad. La cantidad de sujetos estará supeditada a la relevancia de la información que proporcionen para la investigación [6].

101

N.°

Género

Experiencia laboral

Situación laboral1/

Masculino

Femenino

Masculino

Femenino

Masculino

Femenino

Masculino

Femenino

Corroborando con la afirmación anterior, Dancey, al describir esta técnica estadística multivariada, sostiene que su principal objetivo es reducir el número de variables para agruparlas, identificando las relaciones entre las diferentes cuestione presentes en el instrumento de investigación [8]. Para realizar este agrupamiento, utilizamos el software estadístico IBM SPSS Statical versión 20. Este, inicialmente, genera agrupamientos jerárquicos, estandarizados y distribuidos, para luego, mediante las operaciones necesarias, obtener los componentes principales [32] [8]. Como estrategia de verificación de la consistencia interna del instrumento, recurrimos al Alfa de Cronbach, que sirve para medir la confiabilidad del cuestionario que se esta utilizando.

Técnicas de recolección de datos

Inicialmente fue producida la matriz de correlaciones, proceso en el que fue extraído el conjunto de factores. Posteriormente, se determinó el número de factores que deben tomarse (varianza), verificando las cargas de los factores sin rotación (-1 a 1). Después, se calculó la matriz rotacionada con la técnica de varimax, que maximiza las cargas mayores y minimiza las cargas menores [8], y, finalmente, los factores fueron renombrados.

Dimensión cuantitativa

Dimensión cualitativa

La colecta de datos fue realizada a partir de un cuestionario. El instrumento elaborado tuvo 15 cuestiones cerradas, elaboradas con variables a ser recolectadas a través de una escala tipo Likert de cinco puntos, donde las alternativas varían entre muy insatisfecho y muy satisfecho. Para su elaboración, se consideraron variables en relación a diseño, implementación y desarrollo de la iniciativa, se definieron las siguientes: 1) logística, contexto tecnológico e infraestructural; 2) desarrollo profesional del profesor; 3) sostenibilidad y escalabilidad en el tiempo; y satisfacción de uso por parte del docente. Esta escala, además de ser confiable, y más simple de construir, permite obtener información sobre el nivel de los sentimientos de los informantes [34] [8] [31].

Las entrevistas fueron transcritas y analizadas a través del análisis del discurso [30] [44]. Esta metodología de análisis fue elegida, principalmente, por que se caracteriza como una metodología que produce y expresa sentidos, permitiendo que el investigador alcance otras formas de interpretación sobre lo que esta investigando, a partir de sus conocimientos empíricos y teóricos. Este puede ser definido como «[…] un proceso auto organizado de construcción donde nuevos discernimientos emergen a partir de una secuencia lógica de tres componentes: la deconstrucción de los textos; la unitarización, o establecimiento de relaciones entre los elementos unitarios y la categorización». [30].

N= Nombrado; C= Contratado. Tabla 2. Características de los docentes. Fuente: Elaboración propia sobre la base de la información de campo.

Dimensión cualitativa Se recurrió a la entrevista semiestructurada como instrumento principal de recolección de datos, pues ella es considerada como una de las «principales técnicas de trabajo en casi todos los tipos de pesquisa utilizados en las ciencias sociales» [3]. La entrevista es utilizada para recoger datos descriptivos en el leguaje del propio sujeto, lo que permite al investigador desarrollar intuitivamente una idea sobre la manera como los sujetos interpretan diferentes aspectos del mundo [3]. Análisis de los datos Dimensión cuantitativa Para el análisis de los datos obtenidos a partir de las cuestiones cerradas, optamos por utilizar el «análisis de componentes principales» (ACP), por considerar que esta técnica: «[…]

102

Permite identificar patrones o relaciones subyacentes entre varias cuestiones de un instrumento y determinar si la información puede ser condensada o resumida en un conjunto menor de factores o componentes» [1].

Así, los textos sometidos al análisis fueron inicialmente desconstruidos, buscándose unidades de sentido que contuviesen en sí significados importantes para el propósito de la investigación [30]. Las unidades pasaron por un proceso de categorización inicial, seguido de una categorización intermediaria, y, finalmente, de una categorización final. Ética Se tuvo en cuenta solicitar las autorizaciones necesarias para el ingreso a los colegios, se comunicó en forma clara y precisa los objetivos de la investigación. Los sujetos informantes tienen pleno derecho a conocer cómo se utilizará la información que ellos proporcionan a los investigadores [5] [9] [7]. Con el propósito de proteger el anonimato de los informantes e instituciones educativas que participaron del estudio, se les asignó un código, por ejemplo [ProfC003N007], lo que indica que el informante es del colegio 3 y su número de identificación es el 7.

RESULTADOS Medición cuantitativa KMO y prueba de Bartlett Primero, se comprobó la existencia de intercorrelaciones. Para ello se realizó la prueba de esferidad de Bartlett, cuya hipótesis nula es que la matriz de correlaciones es una matriz identidad. Para que sea factible realizar el ACP, se precisa que en este test la p<0,050; el test de Kaiser Meyer Olkin (KMO). Para algunos autores, valores por encima de 0.500 ya son aceptables [49] [15]. El valor obtenido de KMO= 0,786; el determinante es casi cero y, la prueba de Bartlett tiene una p= 0.000<0.05, que nos permite rechazar la hipótesis de matriz identidad. Luego, el diagnóstico es positivo, es decir, que se cumple satisfactoriamente las condiciones para utilizar el análisis de factores y, más específicamente el análisis de componentes principales.

Variable 9

0.683

Variable 10

0.695

Variable 11

0.813

Variable 12

0.591

Variable 13

0.686

Variable 14

0.793

Variable 15

0.867

Tabla 5. Matriz de componentes rotados. Fuente: Elaboración propia sobre la base de los resultados del programa SPSS 20.

Varianza total explicada Se demostró que se tuvo un 67.497 % de variabilidad del conjunto de los datos, con el instrumento adoptado. Del análisis, emergió un número de componentes, los cuales fueron utilizados en la investigación. En total, se agruparon 4 componentes, a los cuales se les atribuyó los siguientes nombres (Tabla 4): N.°

Componentes

Tests

Resultados

Infraestructura

Kaiser-Meyer-Olkin Measure of Sampling Adequacy

0.786

Diseño e implementación

338.667

Estrategias metodológicas

105

Seguimiento y evaluación

Approx. Chi-Square Bartlett’s Test of Sphericity

df Sig.

Tabla 6. Componentes emergentes. Fuente: Elaboración propia.

Tabla 3. Pruebas de KMO y Bartlett. Fuente: Elaboración propia sobre la base de resultados del programa SPSS 20.

La confiabilidad del cuestionario, es decir la consistencia interna del instrumento fue estimada mediante el coeficiente de Alfa de Cronbach. Alpha de Cronbach

Número de ítems

0.894

Tabla 4. Coeficiente de Alpha de Cronbach. Fuente: Elaboración propia sobre la base de los resultados del programa SPSS 20.

El resultado indica un nivel de confiabilidad muy bueno. Cabe resaltar que coeficientes mayores o iguales a 0.70 ya son aceptables y cuanto más se aproximen a 1 son muy confiables. Después de la primera etapa, se realizó un análisis de comunalidades, donde los valores obtenidos fueron por encima de 0,5 mostrándonos la posibilidad de explicar cada una de las variables.

Relación componente matriz Seguidamente, las variables (cuestiones elaboradas) fueron agrupadas en los componentes de acuerdo con las cargas obtenidas. Así, la variable (cuestión) 11 formará parte del componente 1, pues posee la mayor carga (0,801). Después de realizar el análisis completo, los componentes quedan agrupados de la siguiente manera: para el componente 1, fueron agrupadas las cuestiones 11, 10, 07 y 5; la variable 11 es la que mejor explica el componente 1, es decir, presenta mayor consenso entre los informantes. En el componente 2, fueron agrupadas las cuestiones 4, 9, 3 y 13; en la componente 3, las cuestiones 6, 15 y 14; y en el componente 4, las cuestiones 2, 08, 12 y 1. Var1/

Componentes 1

Var 11

0.801

0.021

0.263

0.320

Var 10

0.764

0.293

-0.159

0.004

Var 7

0.712

0.199

0.253

0.129

Var 5

0.632

0.306

0.265

0.250

Var 4

0.519

0.307

0.262

0.388

Variables

Inicial

Extracción

Variable 1

0.502

Var 9

0.152

0.774

0.043

0.241

Variable 2

0.733

Var 3

0.188

0.727

0.039

0.041

Variable 3

0.568

Var 13

0.104

0.633

0.494

0.175

Variable 4

0.583

Var 6

0.330

0.584

0.472

0.173

Variable 5

0.626

Var 15

0.002

0.086

0.894

0.245

Variable 6

0.702

Var 14

0.396

0.133

0.786

0.022

Variable 7

0.627

Var 2

0. 079

0.121

0.181

0.825

Variable 8

0.653

Var 8

0.535

-0.073

0.134

0.586

VOLUMEN 12, 2018

103

Var 12

0.420

0.301

-0.033

0.569

Var 1

0.142

0.403

0.094

0.557

1/Var=Variables. Tabla 7. Matriz de componentes rotadas. Fuente: Elaboración propia sobre la base de resultados del programa SPSS 20.

En el componente 1, relacionada con la infraestructura tecnológica, el nivel de satisfacción de los profesores es alto, se obtuvo un 47,4 % de docentes satisfechos y 39,1 % de muy satisfechos con los recursos tecnológicos implementados en los colegios (PDI, computadoras de escritorio, laptops, proyectores, ecram, recursos TIC, etc.). En el componente 2, relacionada con el diseño e implementación, se encontró un bajo nivel de satisfacción. En la cuestión referente a los plazos de implementación, se obtuvo 35,3 % de satisfacción, más en contraposición se obtuvo 16,5 % que se encuentra poco satisfecho. En cuanto a la logística y planificación de implementación, se obtuvo 45,3 % de indiferencia, solo 12,4 % de la muestra se encuentra satisfecha con esta variable. En el componente 3, relacionada con las estrategias metodológicas, en la cuestión referente a capacitación en nuevas estrategias metodológicas, se obtuvo 16,3 % de docentes satisfechos y 48,3 % de docentes que indican estar muy insatisfechos. En el componente 4, relacionada a seguimiento y evaluación, también el nivel de insatisfacción prevalece, en cuanto al seguimiento y monitoreo, se obtuvo 52,1 % de docentes insatisfechos y 28,7 % muy insatisfechos.

Efectivamente, la apropiación de las PDI por parte de los profesores requiere de nuevos e importantes roles [11]. Un punto fundamental es que los maestros deberían redefinir sus roles tradicionales, aprender a codificar y dosificar las tareas programadas en base a las PDI y, para esto, deberían conocer a profundidad aspectos técnicos como metodologías basadas en las PDI. Probablemente, esto no esté ocurriendo, como puede notarse en la siguiente afirmación de [ProfC001N009]: «[…] Mire usted, me capacitaron un día, y le voy a ser sincero, tengo mucha dificultad para manipular tecnología, los chicos aprenden mucho más rápido que nosotros los viejos, es una realidad y contra eso no podemos hacer nada» [sic].

La importancia de conocer las características de los profesores y evaluar sus necesidades dentro de cada contexto, como los entornos tecnológicos y, sus comportamiento y motivaciones hacia ellos, puede influenciar de manera significativa el desempeño de los profesores. A partir de los métodos de evaluación utilizados, fue posible observar que, en general, los profesores están insatisfechos con la forma como se introdujo la tecnología en sus colegios.

La introducción de tecnología al aula es un proceso muy complejo y demanda tiempo [50], es por eso que, lejos de imponer su uso a los profesores, deben ser los propios profesores quienes las soliciten cuando lo consideren oportuno de acuerdo con su evolución pedagógica en relación al uso de las TIC en el aula [40].

Medición cualitativa

En relación con esta categoría, se pudo constatar que el proyecto de las PDI adolece, en su ejecución, de la existencia de una política explícita para la sostenibilidad y escalabilidad. Si bien se pretendió que la educación del distrito de Mariano Melgar marchara de acuerdo con las nuevas tendencias mundiales, pensamos que la motivación principal fue el interés político. Nos basamos en las siguientes declaraciones: «[…] No se trata de imponer, las cosas se deben hacer bien y sino no hacerlas. El alcalde nos ha traído las pizarras, fotos por aquí, fotos por allá, y a la fecha ya se olvidaron, quedaron ahí como un elefante blanco, la capacitación se debió dar en forma escalonada, de menos a más, pero no vinieron un día. Si mal no recuerdo, nos capacitaron por espacio de 4 horas y eso fue todo, así no se trabaja, señor». [sic] [ProfC010N003].

En la dimensión cualitativa, a partir de las entrevistas transcritas, producimos 112 unidades, que contenían en sí significados importantes para el propósito de nuestra investigación. Las unidades pasaron por un proceso de categorización inicial, en el cual se determinó 36 categorías. Seguidamente, se procedió a realizar una categorización intermedia, de donde emergieron 12 categorías y, finalmente, tres categorías finales, las cuales se detallan en la tabla 8. Categoría 1

Desarrollo profesional del docente

Categoría 2

Sostenibilidad y escalabilidad

Categoría 3

Monitoreo y retroalimentación Tabla 8. Categorías emergentes. Fuente: Elaboración propia.

Desarrollo profesional docente En la primera categoría, se identificaron cuestiones tales como falta de actitud de los profesores, rechazo de la PDI por parte de los docentes, cuestión generacional y subutilización de las PDI. El papel del profesor es decisivo para que se lleve a cabo un uso efectivo y eficiente de las PDI. Como lo indica Ortega, 104

quien quiera saber por qué y en qué forma se utilizan las PDI en el aula debe empezar por esclarecer la importancia que estas tienen para el profesor [35]. El uso de las PDI implica cambios en las actitudes de los profesores que permitan innovar en los procesos de enseñanza - aprendizaje. Estos cambios obligan a romper con las prácticas tradicionales, en las cuales prevalece la clase frontal y el concepto del profesor como un ente rígido. Es decir, los profesores deberían modificar la manera de cómo enseñan a sus estudiantes. No obstante, los profesores sienten que su ambiente de trabajo ha sido modificado como se puede observar en la siguiente declaración: «[…] Que tienes que cumplir con las planificaciones, que tienes que cumplir con evaluaciones, que hay que tener las programaciones… La verdad, con las pizarras digitales, solo nos han traído más trabajo, más obligación, más carga» [sic] [ProfC002N004].

Sostenibilidad y escalabilidad

Probablemente, el proyecto en el distrito de Mariano Melgar no haya tenido en cuenta la sostenibilidad y la escalabilidad en el tiempo. La percepción de que no hay beneficios es una de las áreas más complejas en relación con las actitudes de los profesores hacia las PDI. Estos requieren tener muy claros los beneficios que obtienen de las pizarras digitales para su labor pedagógica [37]. Lo anterior se sustenta en la declaración del informante [ProfC002N012]: «[…] El tema no tiene futuro, no hubo una planificación, no se pensó seriamente. Esto debió ser un trabajo serio a largo plazo, nada de eso existe […] pedimos recursos, nunca existen. Solicitamos que venga personal a

enseñarnos cosas puntuales sobre el uso de las pizarras, solo nos toman la palabra, como ya le dije, esto de las pizarras fue un saludo a la bandera y nada más» [sic]. La planificación y la proyección en el tiempo aparecen aquí como un aspecto central, pues en el análisis de las entrevistas apareció como concepto de categoría recurrente y como uno de los criterios de mayor relevancia para los profesores. Una gran mayoría de ellos confirma la inexistencia de metas claras y precisas en el tiempo. Como lo podemos apreciar en la siguiente expresión: «[…] a la deriva, todo esto está a la deriva, no veo un norte, no se ve un objetivo claro a donde se quiere llegar, pareciera que solo fue interés electoral. Ahora estas pizarras nos complican todo, tienes que preparar material, tienes que buscar recursos, entonces yo llego a la conclusión que todo esto solo ha sido novedad de un día» [sic] [ProfC009N011]. Aunque muchos profesores reconocen la importancia de usar las pizarras en el desarrollo de sus prácticas pedagógicas, numerosas barreras pueden bloquear sus esfuerzos de implementación, las que van desde los miedos personales («¿Qué debería hacer si las PDI falla y mi clase se detiene?», «¿Cómo debería obtener la confianza que necesito?») hasta lo concerniente a cuestiones organizacionales y pedagógicas («¿Cómo puedo asegurar que los estudiantes logren pericia con las PDI sin descuidar otros contenidos importantes?», «¿Cómo puedo integrar las PDI dentro de las demandas actuales del currículo?»). Monitoreo y retroalimentación La posibilidad de contar con pizarras interactivas digitales para mejorar la calidad de la educación pública del distrito de Mariano Melgar constituía una de las principales expectativas de los profesores beneficiarios que, según la mayoría de ellos, no ha sido cumplida en la medida de lo esperado, pues los directamente responsables no han cumplido con lo inicialmente ofrecido. Justificamos nuestra afirmación con la siguiente declaración: «Nos prometieron capacitación constante y retroalimentación, pero nada de eso ha ocurrido, estamos a la deriva; el alcalde nos ofreció visitas permanentes de especialistas, nos dijo que siempre íbamos estar acompañados de personal que nos iba a guiar, pero no. Es lamentable que se despilfarre los pocos recursos que se tiene, habiendo tantas otras necesidades más básicas» [sic] [ProfC005N006]. Más aún, el temor a las tecnologías, sus creencias negativas, su condición de no nativo de la tecnología y su rechazo al cambio de actitud constituyen limitaciones docentes preponderantes para la integración de las PDI al aula. En síntesis, los profesores todavía no generan grandes cambios a nivel pedagógico y tampoco saben cómo realizar un proceso de reflexión sobre su desempeño utilizando las PDI. En síntesis, las PDI no se han explotado lo suficiente en la creación de nuevos ambientes de aprendizaje. La mayoría de los docentes sostiene, que tanto el Ministerio de Educación, el municipio de Mariano Melgar y las mismas instituciones educativas, no se han involucrado lo suficiente. Como lo sostienen Zucker y Bonifaz, es de primordial importancia proveer capacitación, desarrollo profesional, monitoreo y principalmente sobre la integración curricular de la tecnología, y no solo sobre habilidades técnicas [51].

VOLUMEN 12, 2018

CONCLUSIONES • Las conclusiones de este estudio se presentan en función de las interrogantes que guiaron la investigación y los objetivos propuestos. Se puede señalar, en términos generales, que la opinión de satisfacción de los usuarios de las PDI ha sido negativa y desfavorable, básicamente, en las componentes: diseño e implementación, estrategias metodológicas, y seguimiento y evaluación. • Los resultados indican que existe una percepción positiva, vinculada con el componente «infraestructura». A los profesores se les impone la idea de que las tecnologías deben ser parte integral de las actividades de sus clases. Pero aún es un desafío fundamental para muchos profesores el cómo usar la tecnología en la creación de nuevos ambientes de aprendizaje, especialmente, para los docentes de mayor edad. Además, en el caso de las PDI, no se involucra un simple tipo de equipo, sino una variedad de computadoras de escritorio y personales, redes de computadoras, cámaras digitales, proyectores LCD y PDA (asistentes digitales personales), la implementación de estas innovaciones toma tiempo y recursos. • Consideramos entre las principales dificultades que presenta el programa de las PDI en los colegios la carencia de un proyecto o plan de trabajo sobre la incorporación e integración de las PDI al currículo escolar. Esto incluiría acciones como uso responsable de la red, mantención de los equipos, adquisición de aplicaciones para su mejor utilidad, soporte técnico y, lo más importante, la actualización constante de los docentes para su manejo de las PDI. Todos esto aspectos son minimizados por los funcionarios de la educación. • Con respecto a los docentes, la falta de dominio técnico y, principalmente, metodológico no permite realizar un verdadero trabajo con las DPI debido a que hay una despreocupación en la mayoría de ellos por no actualizarse de manera voluntaria, quizás sea por los costos de los cursos, disposición de tiempo, o de considerarse autosuficientes, etc. Tengamos en cuenta que la actitud del docente cumple aquí un papel muy importante frente a su labor profesional y esta no se debe de tomar a la ligera. • En muchas circunstancias, el docente rechaza el cambio de sus prácticas pedagógicas por ambientes tecnológicos. Nos atrevemos a decir que quienes están más predispuestos al uso de tecnología son aquellos docentes que han tenido una formación profesional paralelamente con el avance tecnológico, generalmente, son los que recién han egresado (muchos de ellos contratados), que son opacados por docentes de mayor antigüedad en los colegios (nombrados). Tengamos en cuenta que 45 % los docentes poseen grados académicos como magíster (mayoría) o doctores (algunos), y no conllevan a un aporte para el desarrollo del colegio. Probablemente, estos fueron obtenidos solo para el ascenso magisterial. • A manera de aporte, nos permitimos realizar las siguientes recomendaciones: que cada colegio convoque un equipo de trabajo, el cual tenga la responsabilidad de capacitar a los 105

docentes sobre el uso de las PDI, tener un soporte técnico constante para las PDI, monitorear y evaluar el trabajo de los docentes, formar grupos de trabajo por áreas (Matemática, Comunicación, Ciencias, etc.), que puedan elaborar material didáctico (sesiones, bibliografía, rubricas, etc.) para usarlas con las PDI. • Las aplicaciones tecnológicas que facilitan la colaboración entre profesores y estudiantes propician mejores desempeños, por lo que hay que involucrar a los alumnos en la utilización de la PDI para que así se fortalezca la relación de tecnología y educación, y no tecnología y distracción. Sobre los docentes, debe existir una entrega abnegada y desinteresada por el cambio de actitud con las PDI y usar en su plenitud todas funciones que tiene. A la vez, remarcamos que no se pretende desmerecer la función del docente teniendo en cuenta que la tecnología les brinda herramientas de apoyo, pero sería egoísta de su parte mantenerse al margen de los avances tecnológicos, más aún sabiendo que en esos contextos son en los que se desenvolverán sus estudiantes. REFERENCIAS [1] Almeida, T., Pinto, S., y Piccolo, H. (2007). AutoAvaliação na fundação Universidade Federal do Rio Grande: Metodologia de Avaliaão. Avaliaão Campinas: Sorocaba, SP. [2] Anaya, P., Poblete, A. (2017). Barreras y facilitadores para el uso de las TIC en una muestra de profesores del subsector biología de establecimientos educacionales de la ciudad de Los Ángeles (seminario de título para optar al título profesional, Universidad de Concepción). [3] André, M., Ludke, M. (1986). Pesquisa em Educação: abordagems qualitativas. São Paulo: E. P. U. [4] BECTA (2007). Evaluation of the Primary Schools Whiteboard Expansion Project. Recuperado de https://bit. ly/1MOylOj

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107

ACERCA DE LOS AUTORES Carlos David Laura Quispe Posdoctorando en educación por la Universidad Federal de Uberlândia (UFU), Brasil. Magíster en Informática Educativa por la Universidad de la Frontera (UFRO), de Chile y en Educación, por la Universidad Federal de Río Grande (FURG), Brasil. Licenciado en Ciencias de la Educación, especialidad Físico Matemático por la Universidad Nacional San Agustín (UNSA) y economista por la Universidad Nacional San Agustín (UNSA). Ha laborado en el Consorcio de Investigación Económica y Social (CIES), en la Universidad Católica Santa María (UCSM) y en la Universidad Federal de Río Grande (FURG), Brasil. Es parte del comité científico de arbitraje de las revistas Góndola enseñanza y aprendizaje de las ciencias, de Colombia y de la revista Ciencia, Docencia y Tecnología de Argentina. cdavidlaura@gmail.com

108

Luis Alberto Almanza Ope Es Licenciado en Literatura y Lingüística por la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa, se desempeña como docente de educación superior en universidades e institutos. En la actualidad, labora en Tecsup Sede Sur. Además, es también asesor educativo en diversas entidades educativas y municipalidades de Arequipa. Especialista en investigación científica, metodología del estudio, crítico literario, autor de libros de pedagogía, didáctica educativa, y escritor de poesía y novela. Ha participado como ponente en congresos nacionales e internacionales de innovación educativa como Portugal, España, Argentina, México, Brasil, Cuba, Colombia y Perú. lalmanza@tecsup.edu.pe

AGRADECIMIENTOS

A Tecsup, Sede Sur, a la Municipalidad de Mariano Melgar de Arequipa y a la Universidad Federal de Uberlândia (UFU) del estado de Minas Gerais en Brasil.

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La revista Investigación Aplicada e Innovación I+i es publicada anualmente y tiene como objetivo principal difundir trabajos de investigación aplicados a la ingeniería y tecnología, con el fin de apoyar al sector productivo en la mejora de sus procesos, eficiencia de sus procedimientos e incorporación nuevas técnicas para fortalecer su competitividad. Las principales áreas temática son: Innovación y Gestión Educativa, Automatización Industrial, Aviónica, Electrotecnia, Electrónica, Energía, Química y Metalúrgica, Gestión y Administración Industrial, Mantenimiento Industrial, Operaciones Mineras, Tecnología Agrícola, Tecnología de la Producción, Tecnología Mecánica Eléctrica, Seguridad e Higiene Ocupacional, Tecnología de Información y Comunicación. Dirigido a: Profesionales en ingeniería y tecnología, investigadores, docentes de educación superior, directivos académicos y especialistas en cualquiera de las temáticas que aborda la revista. Convocatoria: Los interesados en publicar en la Revista I+i de Tecsup, deben enviar sus artículos de investigación al siguiente correo electrónico:: investigacioneinnovacion@tecsup.edu.pe Requisitos para la publicación 1. Formato de presentación: • Se aceptarán artículo escritos en idioma español, portugués o inglés. • El artículo debe tener una extensión entre 7 y 14 páginas escritos a una sola columna. • El interlineado será sencillo, fuente Tahoma o Arial, tamaño 11 puntos. • Todos los márgenes son de 2.5 cm en tamaño de página A4. • El artículo debe enviarse en formato Word, además de la versión en PDF. • Las tablas, figuras y gráficas deberán incluirse con buena resolución y presentarse según los lineamientos de las normas APA. • Las ecuaciones deben estar bien definidas, digitadas y no presentadas como imágenes. 2. Estructura del artículo: • TÍTULO: Se colocará el título de la investigación en el idioma original y en inglés. El título no debe exceder de 12 palabras y debe dar cuenta del objeto de investigación. • AUTORES: Es necesario nombres y apellidos completos de los autores y su afiliación académica e institucional. • RESUMEN: Contenido breve del artículo en el idioma original e inglés, no debe exceder las 300 palabras. Evitar el uso de siglas, ecuaciones, tablas y fórmulas. • PALABRAS CLAVES: Identifica los temas principales del artículo redactados en el idioma original e inglés y presentados en orden de prioridad, no exceder de 08 palabras claves. • INTRODUCCIÓN: Explicar el problema general, definir el tema investigado y los objetivos del estudio. • FUNDAMENTOS: Presentar los antecedentes que fundamentan el estudio haciendo uso de citaciones según las Normas APA. Describir el estudio de la investigación incluyendo premisas y limitaciones. • METODOLOGÍA: Explicar cómo se llevó a la práctica el trabajo, justificando la elección de procedimientos y técnicas. • RESULTADOS: Resumir la contribución del autor; presentar la información hallada y pertinente que se relaciona con los objetivos del estudio en forma comprensible y coherente; mencionar todos los hallazgos relevantes, incluso aquellos contrarios a la hipótesis. • CONCLUSIONES: Inferir o deducir una verdad de otras que se admiten, demuestran o presupone. Las conclusiones deben estar acorde a los objetivos del trabajo, responden a la(s) pregunta(s) de investigación planteadas en la introducción y a las interrogantes que condujeron a la realización de la investigación. • REFERENCIAS: Incluir todas las fuentes mencionadas en el artículo. Es necesario el uso de referencias de autoridad y de carácter académico. Se debe incluir documentos de actualidad incluidos en bases de datos especializadas. Su presentación es bajo el formato una adaptación de las Normas APA para la revista I+i. • ACERCA DEL AUTOR(ES): Incluir Información profesional breve de cada autor (institución y labor que desempeña). 3. Selección y publicación de artículos: • Se realiza la recepción y revisión de los resúmenes para verificar si el artículo aborda alguna de área temática de la revista. • Tras la aceptación del resumen se solicita el documento completo para que el Comité Editorial revise el cumplimiento del formato y estructura de presentación. También se validad si el trabajo es inédito. • Se verifica la originalidad del artículo a través de la herramienta Turnitin para luego realizar la revisión de contenido. • El sistema de revisión de contenido está a cargo de dos especialistas en el tema, quienes opinan si el artículo es: ——Publicable sin modificaciones: El trabajo no tiene ningún tipo de observación de fondo y se publica como fue recibido. ——Publicable con ligeras modificaciones: El trabajo amerita fundamentalmente modificaciones de forma. ——Publicable con modificaciones sustanciales: El trabajo amerita algunas modificaciones de fondo corregibles. ——No publicable: el artículo no es recomendable para su publicación. • Los artículos aceptados continúan con un proceso de corrección de texto y estilo. • Concluidos todos los procesos de revisión se procede con la diagramación e impresión de la revista. Para más información puede revisar el sitio web de la Revista I+i en: https://www.tecsup.edu.pe/

VOLUMEN 12, 2018

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Se terminó de imprimir en los talleres gráficos de Tarea Asociación Gráfica Educativa Pasaje María Auxiliadora 156 - Breña Correo electrónico: tareagrafica@tareagrafica.com Página web: www.tareagrafica.com Teléf. 332-3229 Fax: 424-1582 Noviembre, 2018 Lima - Perú

Volumen 12, 2018 Lima, Perú • ISSN 1996-7551

David Alonso Nájar Valdivia

Optimizando el proceso de construcción de modelos de decisión en el mantenimiento industrial por análisis de confiabilidad predictivo y dinamismo RCM Pág. 4

Telemedicina en cuidados paliativos:

una aplicación que ayuda a cuidadores y personal médico Pág. 16

Revista I+i 2018

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